DE3005862A1

DE3005862A1 - Antriebsvorrichtung zum spielfreien umwandeln einer drehbewegung in eine linearbewegung

Info

Publication number: DE3005862A1
Application number: DE19803005862
Authority: DE
Inventors: Max 8590 Marktredwitz Küspert
Original assignee: Hamuel Werkzeugfabrik Th Kirschbaum KG
Current assignee: Hamuel Werkzeugfabrik Th Kirschbaum KG
Priority date: 1980-02-16
Filing date: 1980-02-16
Publication date: 1981-09-03

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, insbesondere für die schnelle und repetierbare Verstellung von Werkzeugen oder Werkstücktischen nach Patent ( Patentanmeldung p 29 10 373.9 An tie Leistungsfähijkeit und Genauigkeit von Meß - oder 'Serkzeugmaschinen, bei denen Schlitten, Supporte, Werkzeuge oder Werkstücfrtische Linearbewegungen und bei -raocl-ìinen mit Kreuzschlitten gleichzeitig Bewegungen in zei Koordinatenrichtungen ausführen müssen1 sollen die linearen Bewegungen nicht nur schnell, d.h mit großen Beschleunigunqs - und sondern auxh rnit höchster Genauigkeit ausgeführt werden, um die gewünschten Fertigurigstoleranzen einhalten zu können.
Schließlich soll die bewegung dieser Haschinenteile schlupffrei, spielfrei, schwingungsfrei und bei der -a,senfertigung 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 VerrDnleißerscheinungen, 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 aber darum geht, einen Linearantrieb zu schaffen, bei dem alle Bedingungen in einem möglichst hohen Maße erfüllt werden, etwa bei einem großen Verstellweg bei großer Verstellgeschwindigkeit (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 ließen, daß ein solcher Linearantrieb zur otimalen 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 spielfrei, 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 Zahn teilung auf kleine Längen bezogen mit einer großen Genauigkeit hergestellt werden, 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, wobei insbesondere die Walkarbeit am Zahnriemen durch die geringe Eintauchtiefe des Antriebszahnrades reduziert und die Anpressung des Zahnriemens an die Zahnstange verbessert ist. 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.
Es zeigen Figur 1 und 2 in einer Schnittdarstellung schematisch die Funktion des erfindungsgemäßen Linearantriebs, Fig. 3 einen Schnitt durch einen Linearantrieb mit dem Führungssystem und dem Antriebsmotor, Fig. 4 einen Schnitt durch einen Linearantrieb zur Montage an ein bereits bestehendes Führungssystem, Fig. 5 einen Schnitt durch einen Linearantrieb mit feststehendem Schlittenfuß und Fig. 6 einen Schnitt entlang der Schnittlinie A + B gemäß Fig. 5 zur weiteren Verdeutlichung des Zahnriemenantriebs.
Gemäß Fig. 1 und 2 ist die Antriebsvorrichtung als Trägerschlitten oder Support für die Aufnahme von Werkzeugen oder Werkstücken ausgebildet. Sie besteht im wesentlichen aus zwei parallel und mit Abstand in einem als Längsführung ausgebildeten Gehäuse 18 angeordneten Zahnstangenhälften 4, zwischen denen das Antriebszahnrad 3 angeordnet ist und hindurchragt. Mit den beiden Zahnstangenhälften 4 und dem Antriebszahnrad 3 im ständigen Eingriff ist der Zahnriemen 2, der nur an den beiden Endabschnitten des Gehäuses 18 befestigt, mit der Zahnstange 4 stets in Eingriff und im übrigen beweglich ist, so daß sich ein von der Eintauchtiefe des Antriebszahnrades 3 abhängiges Flankenspiel zwischen der Zahnstange 4 und dem Zahnriemen 2 ergibt. Das schaumstoffartige, flüssige oder gasförmige Druckmedium 5 ist verdrängbar und vorzugsweise amorph und preßt den Zahnriemen 2 von der Rückseite gegen die Zahnstange 4 bzw. gegen das Antriebszahnrad 3, so daß in jeder Stellung und Bewegungsphase der relativ zueinander linear bewegbaren Teile stets nur ein gleichbleibender, definierter Abschnitt (A + 2C) des Zahnriemens 2 außer Eingriff mit der Zahnstange 4 ist. Bei der Anordnung nach Figur 2 ist die Umschlingung des Antriebszahnrades 3 etwa doppelt so groß wie bei Figur 1, weil der Zahnriemen 2 hier im Bereich des Antriebszahnrades 3 noch einen Zahn zur Schleifenbildung mehr zur Verfügung hat, als bei Figur 1. Die in Figur 2 dargestellte größere Umschlingung wird insbesondere bei Kraftantrieben mit höherem Übertragungsmoment angewandt. Das Zahnrad 3 kann von einem Servomotor oder von einem Schrittmotor, insbesondere von einem solchen Antriebssystem angetrieben werden, das gleichzeitig als Stellungsgeber für eine numerische Steuerung dient. Während bei den bekannten Linearantrieben mit Zahnriemen dieser mit seinen beiden Enden fest eingespannt ist und durch die ständig veränderte Lage der wechselnden Antriebskräfte verschiedenen Dehnungskräften unterworfen ist, arbeitet erfindungsgemäß der Zahnriemen mit starren Zahnstangenhälften 4 zusammen, deren Genauigkeit und Starrheit beliebig weit getrieben werden kann. Während also der Zahnriemen 2 über die gesamte Länge der Zahnstangenhälften 4 auf diesen aufliegt und ihre Zähne ineinander qreifen, wird der Zahnriemen 2 im Bereich des Antriebszahnrades 3 aus den Zahnstangehälften 4 ausgehoben und um das Antriebszahnrad 3 gelenkt. Um einen spielfreien Eingriff des Zahnriemens 2 in die Zahnstangehälften 4 einerseits und in das Antriebszahnrad 3 andererseits zu erreichen, werden diese Teile durch ein Druckmedium 5 verspannt. Demnach kann eine Verspannung durch Höhenverstellung der Welle 6 des Antriebszahnrades 3 erreicht werden. Die Zahnstangehälften 4 können beispielsweise aus mehreren gefrästen Stahlstange-Stücken zusammengesetzt sein. Vorteilhafter Weise wird aber für die Zahnstangenhälften 4 das gleiche Material wie für den Zahnriemen 2 verwendet und dieser mit einer Trägerschiene 4a fest verbunden, vorzugsweise verklebt, wie dies in den Figuren 3, 4 und 5 erkennbar ist. Aus der schematischen Darstellung der Erfindung gemäß den Figuren 1 und 2 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 18 und in jeder Bewegungsphase immer nur in demselben Ausmaß und über dieselbe Länge auf Dehnung belastet, die sich aus der Strecke des aus den Zahnstangenhälften 4 ausgehobenen Abschnittes (A + 2C) des Zahnriemens 2 ergibt.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch ein Führungssystem, bestehend aus auf vier zueinander parallel verlaufenden, gehärteten und geschliffenen Führungswellen 11 linear relativ bewegbaren, miteinander verbundenen Gehäusehälften 18a und 18b. In den beiden miteinander starr verbundenen Gleitschlitten 12a, 12b, welche sich zwischen den Führungswellen 11 befinden und die rollengelagert sein können, ist die Antriebswelle 6 für das Antriebszahnrad 3 kugelgelagert. Das Antriebszahnrad 3 ist mit dem flexiblen Zahnriemen 2 im Eingriff, gegen den ein Druckmedium 5 einwirkt. Dieses Druckmedium drückt den Zahnriemen 2 nicht nur gegen das Antriebszahnrad 3, sondern auch gegen die beiden Zahnstangenhälften 4, so daß sich am Zahnriemen 2 eine sehr geringe Walkarbeit ergibt und die Führung des Zahnriemens 2 im Gehäuse 18a und die Anpressung des Zahnriemens 2 in die beiden Zahnstangenhälften 4 wesentlich verbessert ist. Auf der Antriebswelle ó für das Antriebszahnrad 3 befindet sich ein Zahnrad 14, das über einem Zahnriemen 15 von einem an einem Motor 17 angeflanschten Zahnrad 16 angetrieben wird.
Das den Zahnriemenantrieb 14,15,16 abdeckende Gehäuse 19 nimmt nicht nur die Getriebeteile 14,15 und 16 auf, sondern an ihm ist auch der Antriebsmotor 17 befestigt.
Außerdem dient das Gehäuse 19 als außenliegender Schlitten, der, da er direkt mit den innerhalb des Gehäuses 18a, 18b liegenden Schlittenteilen 12a, 12b verbunden ist, die zu bewegenden Teile aufnimmt. Ein endloses Abdeckband 13, durch welches die Antriebswelle 6 hindurchragt, schließt - unmittelbar an das Gehäuse 19 angebunden -die zwischen den Gehäusehälften 18a und 18b des Führungssystem und dem den Zahnriemenantrieb 14,15,16 abdeckenden Gehäuse 19 befindliche Öffnung. Das Abdeckband 13 wird an beiden längsstirnseitigen Enden des Führungssystemes über Umlenkrollen durch den zwischen dem Gleitschlitten 12a und den Gehäusehälften 18a und 18b freibleibenden Spalt 20 zurückgeführt und damit endlos ausgebildet.
Zum Antrieb eines zweiten, parallel angeordneten Linearantriebs, ragt aus dem Gehäuse 19 ein strichliert angedeuteter Wellenstummel 6a heraus. Derartige parallele Linearantriebe werden bei sogen. Portalsystemen benötigt.
Fig. 4 zeigt eine Antriebsvorrichtung zum spielfreien Umwandeln einer Drehbewegung der Antriebswelle 6 bzw.
des Antriebszahnrades 3 mit Hilfe eines flexiblen Zahnriemens 2 in eine Linearbewegung eines Supportes 18a.
Diese Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung eignet sich insbesondere auch für den Einbau in bereits bestehende Führungssysteme. Hierbei besitzt der Support 18a, der als Gehäuse für die Aufnahme des Zahnriemens 2 und der mit ihm in Eingriff befindlichen zweigeteilten Zahnstange 4 dient, einen einseitig offenen, zentralen Hohlraum, der mit einem Druckmedium 5 gefüllt ist. Die zweigeteilte Zahnstange 4 ist mit je einer flexiblen Abdeckung 21 unterlegt und mit ihr fest verbunden. Diese flexible Abdeckung 21 schließt die Eingriffsöffnung für das Antriebszahnrad 3 nach allen Seiten, insbesondere auch in Längsrichtung des Supports 18a vor und hinter dem Antriebszahnrad 3 ab, wie es mit Position 21' strichliert dargestellt ist.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Linearantriebsvorrichtung, die insbesondere dann angewandt wird, wenn sich ein relativ langer Gehäuseteil 18a linear bewegen muß. Dabei bleibt der Schlittenfuß 23 fest stehen. Im Schlittenfuß 23 sind zwei Wellen 22 und 6 übereinander angeordnet. Die Welle 22 wird durch einen Motor angetrieben, dessen Antriebsmoment über ein Zahnrad 16 und einen beidseitig gezahnten Zahnriemen 15 auf das Antriebszahnrad 3 übertragen wird. Bei dieser Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung greift nicht das Antriebszahnrad 3sondern der Zahnriemen 15 mit seiner Außenverzahnung unmittelbar in den Zahnriemen 2 ein - wie insbesondere aus Fig. 6 deutlich ersichtlich ist. Im übrigen Aufbau, d.h. bezüglich der Führungswellen 11, der Gleitschlitten 12a und 12b und der Zahnstangenhälften ist diese Vorrichtung analog wie die in Fig. 3 dargestellte aufgebaut. Bei dieser Ausführungsform sollten die beiden Gleitschlitten 12a und 12b jedoch vorzugsweise mit Wälzlagern ausgestattet sein.
Leerseite

Claims

Ansprüche: 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, Werkstücken oder Werkstücktischen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine in Verstellrichtung verlaufende, an sich bekannte Zahnstange (4) vorgesehen ist, die aus zwei parallel und mit Abstand angeordnete Hälften besteht, mit denen der Zahnriemen (2) zu beiden Seiten des Antriebszahnrades (3) ständig in Eingriff ist, der Zahnriemen (2) durch das zwischen den Zahnstangenhälften hindurchragende Antriebszahnrad (3) aus der Zahnstange (4) ausgehoben und um das Antriebszahnrad (3) gelenkt ist, und ein verdrängbares Druckmedium auf die Rückseite des Zahnriemens (2) derart einwirkt, daß in jeder Stellung und Bewegungsphase der relativ zueinander linear bewegbaren Teile stets nur ein gleichbleibender, definierter Abschnitt (A + 2C) des Zahnriemens (2) außer Eingriff mit der Zahnstange (4) ist.
2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (6) des Antriebszahnrades (3) zum Eliminieren des zwischen dem Zahnriemen (2) und der Zahnstange (4) möglichen Zahnflankenspieles verstellbar ist.
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 das auf den Zahnriemen (2) in Richtung zur zweiteiligen Zahnstange (4) wirkende Druckmedium (5) gasförmig, flüssig oder schaumstoffartig ist.
5. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmedium (5) sich in einem geschlossenen, abgedichteten Raum zwischen dem Zahnriemen (2) und einem Gehäuse (18) befindet.
6. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiteilige Zahnstange (4) wie der Zahnriemen (2) aufgebaut und mit einer metallischen Trägerschiene (4a) fest verbunden ist.
7. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Zahnriemen (2) über die gesamte Länge der zweiteiligen Zahnstange (4) erstreckt und die Verzahnungen ineinander liegen.
8. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebszahnrad (3) in einem aus zwei Hälften aufgebauten Gehäuse (18) angeordnet, auf Führungswellen (11) linear bewegbar und über einen in einem als Schlitten ausgebildeten Gehäuse (19) befindlichen Zahnriemenantrieb (14, 15, 16) angetrieben ist.
9. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das aus zwei Hälften bestehende Gehäuse (18) durch ein endloses Abdeckband (13) verschlossen ist, welches neben den Führungswellen (11) und zu diesen parallel verläuft und das hinter dem Führungssystem durch Umlenkrollen umgelenkt ist.
10. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (6) für das Antriebszahnrad (3) durch das Abdeckband (13) hindurchragt.
11. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (6a) aus dem als Schlitten ausgebildeten Gehäuse (19) zum Antrieb eines zweiten, parallel angeordneten Linearantriebs herausragt.
12. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebszahnrad (3) in ein einteiliges, um das Antriebszahnrad (3) symmetrisch aufgebautes, zwei Zahnstangenhälften (4) enthaltendes, abgedichtetes Gehäuse (18) hineinragt.
13. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die wie der Zahnriemen (2) aufgebauten Zahnstangenhälften (4) mit je einer flexiblen Abdeckung (21) unterlegt sind, welche die Längsöffnung des Gehäuses (18), durch welche das Antriebszahnrad (3) hineinragt, bis auf den Eintrittsbereich des Antriebszahnrades (3) verschließt.
14. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebszahnrad (3) mittelbar über einen beidseitig gezahnten und angetriebenen Zahnriemen (15) in den Zahnriemen (2) eingreift.
15. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der beidseitig gezahnte Zahnriemen (15) mit seiner Innenverzahnung in die Zahnräder (16 und 3) und mit seiner Außenverzahnung unmittelbar in den im Gehäuse (18) befestigten Zahnriemen (2) eingreift.