DE3637432A1 - Vorrichtung zum spielfreien weiterleiten und ggfs. umwandeln einer drehbewegung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum spielfreien Weiterleiten und ggfs. Umwandeln von Drehbe­ wegungen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

In der modernen Steuer- und Antriebstechnik kommt einer weitgehend stoßfreien und schnellen Verstellbewegung ei­ ne ständig wachsende Bedeutung zu.

Aus der DE-PS 29 10 373 ist eine Antriebsvorrichtung zum spielfreien Umwandeln einer Drehbewegung in eine Linear­ bewegung mit Hilfe eines Zahnriemens und eines mit die­ sem in Eingriff stehenden Antriebszahnrades bekannt, das für einen Präzisionsantrieb, insbesondere für die schnel­ le und repetierbare Verstellung von Werkzeugen, Werkzeug­ tischen, Handhabungsgeräten oder Robotern geeignet ist, wobei mindestens eine in Verstellrichtung verlaufende Zahnstange vorgesehen ist, mit der der Zahnriemen stän­ dig in Eingriff ist, und wobei zu beiden Seiten des An­ triebszahnrades Bogenführungen vorgesehen sind, die den Zahnriemen so in Eingriff mit der Zahnstange halten, daß ein erster Abschnitt die Belastung aufnimmt und nur ein kurzer, definierter zweiter Abschnitt des Zahnriemens au­ ßer Eingriff mit der Verzahnung ist. Sofern nur relativ geringe Kräfte auftreten, ist dieser Antrieb sehr genau. Bei extrem großen Kräften könnten bei dieser bekannten Antriebsvorrichtung jedoch gewisse Ungenauigkeiten auf­ treten.

Aus der DE-PS 34 33 363 ist eine weitere Antriebsvorrich­ tung zum spielfreien Umwandeln einer Drehbewegung in ei­ ne Linearbewegung bekannt, mit der Werkzeugschlitten und andere zu positionierende Elemente über große bis größte Längen spielfrei mit niedrigem Massenträgheitsmoment bei großer Einstellgenauigkeit linear bewegt werden können, wobei die Antriebsvorrichtung darüber hinaus noch beson­ ders servicefreundlich ist.

Die bekannten Anordnungen betreffen ausschließlich die Umwandlung einer Drehbewegung in eine Linearbewegung.

Aus der DE-AS 10 59 756 sind Zahnantriebe bekannt, bei denen die Eingriffstiefe der miteinander kämmenden Zähne durch nockenähnliche Kurvenscheiben gesteuert wird.

Aus der DE-OS 26 19 021 ist schließlich eine Motorschrau­ be bekannt, mit deren Hilfe eine Drehbewegung von einer Zahnscheibe auf eine außen gezahnte Trommel untersetzt übertragen werden soll. Bei dieser bekannten Vorrichtung werden Führungsrollen vorgesehen, welche den Eingriffsbo­ gen des Zahnriemens auf einen gewissen kleineren Winkel als im Normalfall begrenzen, um unangenehme Störungen durch geringe Interferenzen der Zahnteilungen des Zahn­ riemens zu vermeiden.

An die Leistungsfähigkeit und Genauigkeit von Meß- und Werkzeugmaschinen sowie Handhabungsgeräten und Robotern werden zunehmend steigende Anforderungen gestellt. Die Bewegungen müssen nicht nur schnell, d. h. mit großen Be­ schleunigungs- und Verzögerungswerten, sondern auch mit höchster Genauigkeit ausgeführt werden, um die gewünsch­ ten Fertigungstoleranzen Einhalten zu können. Schließ­ lich soll die Bewegung schlupffrei, spielfrei, schwin­ nungsfrei und bei der Massenfertigung unter reproduzier­ baren Verhältnissen mit Hilfe von numerischen Steuerun­ gen der hohen Beanspruchung der Bauteile unerwünschte Verschleißerscheinungen, die auf Dauer Ungenauigkeiten und Streuungen bei der numerischen Einstellung zur Folge haben. Die bekannten und üblicherweise zur Ausführung verwendeten Antriebssysteme, die sehr unterschiedlich aufgebaut sein können (Gewindespindeln, Kugelspindeln, Zahnstangen, hydraulische oder pneumatische Kolben oder Zahnriemen), finden wegen der ihnen eigenen Eigenschaf­ ten alle ihre Anwendung, und zwar verständlicherweise im­ mer dort, wo sich aufgrund der Anforderungen ihre günsti­ gen Eigenschaften besonders vorteilhaft auswirken und die weniger günstigen Eigenschaften kaum stören. Wenn es nun aber darum geht, eine spielfreie, schwingungsfreie und genaue Einstellung zu erzielen, und zwar in ständig repetierbaren Abläufen, so treten die nachteiligen Wir­ kungen stark in den Vordergrund.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zum Weiterleiten und ggf. Umwandeln einer Drehbewe­ gung zur schaffen, mit der Werkzeuge, Werkzeugtische, Handhabungsgeräte oder Roboter schwingungs- und schlupf­ frei bei geringem Massenträgheitsmoment, mit hohen Be­ schleunigungs- und Verzögerungswerten und bei großer Ein­ stellgenauigkeit bewegt werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Zahnriemen, insbesondere Kunststoffzahnriemen, können zwischenzeitlich hinsichtlich Zahnform und Zahnteilung mit großer Genauigkeit hergestellt werden, sind hinrei­ chend flexibel, verschleißfest und geräuscharm und haben einen günstigen Wirkungsgrad. Sie werden auch in endlo­ ser Ausführung hergestellt und können sowohl mit Stahl­ drahtseele als auch mit Glasfaserarmierung versehen sein.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren beispielsweise erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Übertragung einer Dreh­ bewegung zwischen zwei in der Größe stark von­ einander abweichenden Zahnrädern,

Fig. 2 eine Vorrichtung zur Übertragung einer Dreh­ bewegung zwischen zwei im wesentlichen gleich­ großen Zahnrädern.

Fig. 3 eine Vorrichtung nach Fig. 1 oder 2, bei der die Umlenkrollen unterschiedliche Durchmesser aufwei­ sen.

Die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Antriebs-Ritzel 10, einem endlo­ sen Übertragungselement, insbesondere aus einem Zahnrie­ men 11, zwei Umlenkrollen 12 und 13 und einem Abtriebs- Zahnrad 14, das im vorliegend dargestellten Fall einen erheblich größeren Teilkreis als das Antriebs-Ritzel 10 hat. Das Antriebs-Ritzel 10 wird durch einen nicht darge­ stellten Motor oder auf andere an sich bekannte Weise an­ getrieben. Der Zahnriemen 11 wird über die Umlenkrollen 12 und 13 in die Verzahnungen von Antriebs-Ritzel 10 und Abtriebs-Zahnrad 14 gepreßt. Es ergeben sich damit die Eingriffsbereiche A bzw. B. Außerhalb dieser Eingriffsbe­ reiche A und B von Antriebs-Ritzel 10 bzw. Abtriebs-Zahn­ rad 14 liegt der Zahnriemen 11 mit seiner Rückseite auf den Umfangsflächen der Umlenkrollen 12 und 13 im Bereich C kraftschlüssig auf. Der Bereich, in dem der Zahnriemen 11 weder kraft- noch formschlüssig geführt wird, kann - wie die Zeichnung ohne weiteres erkennen läßt - durch entsprechende Maßnahmen praktisch zu Null gemacht wer­ den, so daß freie Dehnungen des Zahnriemens 11 ausge­ schlossen sind. Antriebs-Ritzel 10 und Abtriebs-Zahnrad 14 greifen von zwei gegenüberliegenden Seiten her derart in die Verzahnung der durch den Zahnriemen 11 gebildeten Schleife ein, daß sie unter Zwischenschaltung des Zahn­ riemens 11 an den Umlenkrollen 12 und 13 anliegen. Dies hat zu bedeuten, daß dort, wo die Eingriffsbereiche A und B von Antriebs-Ritzel 10 und Abtriebs-Zahnrad 14 en­ den, zwangsläufig die Auflage des Zahnriemens 11 auf den Umlenkrollen 12 und 13 und damit die kraftschlüssige Auf­ lage des Zahnriemens 11 auf den Umlenkrollen 12 und 13 beginnt.

In den Bereichen C, in denen der Zahnriemen 11 mit sei­ ner Rückseite kraftschlüssig auf den Umlenkrollen 12 und 13 aufliegt, ist lediglich dann ein Schlupf möglich, wenn die Ruhreibung zwischen dem Rücken des Zahnriemens 11 und den Umlenkrollen 12 bzw. 13 überschritten wird. Durch entsprechende Wahl der Reibungsverhältnisse ist dies im normalen Betrieb jedoch ausgeschlossen. Ledig­ lich bei Auftreten von Stößen erfolgt kurzzeitig ein Schlupf, der zu einem Abbau der Stoßenergie führt. An­ schließend sind jedoch die gewünschten Präzisionsverhält­ nisse sofort wieder gegeben. Auch die kurzzeitig verlo­ rengehende Zuordnung zwischen den Positionen von An­ triebs-Ritzel 10 einerseits und Abtriebs-Zahnrad 14 ande­ rerseits ist nach Abklingen der Stoßbelastung sofort wie­ der gegeben.

Die in der Figur dargestellte Vorrichtung zur Weiterlei­ tung bzw. Umwandlung von Drehbewegungen ist auch dann vorteilhaft einzusetzen, wenn anders als im in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel nur ein geringes Über- oder Untersetzungsverhältnis gegeben ist. Dieser Fall ist in Fig. 2 dargestellt, bei dem die dort gezeig­ te Vorrichtung zwei etwa gleichgroße Zahnräder 14 und 15 miteinander verkoppelt.

Wegen der günstigen Eingriffsverhältnisse empfiehlt sich die Verwendung der beschriebenen Vorrichtung in vielen Fällen auch beim Übersetzungsverhältnis 1:1.

Es können mehrere solcher Antriebsvorrichtungen auf dem Umfang eines einzelnen Zahnrades 14 bzw. 15 angeordnet werden. So können beispielsweise von einem einzigen An­ triebs-Zahnrad 15 über die beschriebene Vorrichtung meh­ rere Abtriebs-Zahnräder 14 angetrieben werden. Dies ist insbesondere bei Handhabungsgeräten und Robotern von er­ heblichem Vorteil, da dort häufig verschiedene Abtriebs­ bewegungen zwangsläufig von einer einzigen Antriebsbewe­ gung ableitbar und somit zwangsläufig synchronisierbar sein müssen.

Es kann aber auch umgekehrt ein einziges Abtriebs-Zahn­ rad 14 von mehreren Antriebs-Ritzeln 10 oder Antriebs- Zahnrädern 15 über die oben beschriebene Vorrichtung an­ getrieben werden. Dies hat den Vorteil, daß selbst bei Ausfall eines Antriebs im Notfall durch die weiteren An­ triebe noch eine Verstellbewegung (wenn auch mit vermin­ derter Kraft) möglich ist.

In vielen Fällen - insbesondere bei Handhabungsgeräten und Robotern - werden nur kleine Verstellbewegungen not­ wendig sein. In solchen Fällen können anstelle der Zahn­ räder 14 bzw. 15 Kreissegmente 14 a bzw. 15 a mit Verzah­ nung vorgesehen werden. Durch den Fortfall eines Teils der an sich erforderlichen vollen Zahnräder 14 bzw. 15 läßt sich die Baugröße nicht unerheblich verringern.

Als Zahnriemen 11 finden vorzugsweise solche Verwendung, die Profile mit geringem Flankenwinkel aufweisen. Da­ durch werden die Auftriebskräfte, die den Zahnriemen 11 aus dem Zahnprofil aufsteigen lassen wollen, sehr gering gehalten. Als sehr günstig hat sich ein Zahnprofil mit halbkreisförmigem Zahnquerschnitt erwiesen.

Es bedarf keiner weiteren Erwähnung, daß die Richtung des Antriebs, d.h. der Kraftfluß, selbstverständlich auch umgekehrt werden kann, so daß das in Fig. 1 darge­ stellte Zahnrad 14 treibende Funktion hat und das Ritzel 10 bzw. das Zahnrad 15 angetrieben werden.

Die oben beschriebene Vorrichtung ist insbesondere für numerische Steuerung sehr gut geeignet, ermöglicht wegen der geringen Massen eine hohe Beschleunigung mit Stoß­ kompensation, erlaubt eine Komponentenbauweise, bei der mehrere Antriebs- bzw. Abtriebsvorrichtungen auf einem einzigen Zahnrad angeordnet werden können und hat einen hohen Wirkungsgrad und eine lange Lebensdauer.

Es können auch beidseitig verzahnte Übertragungselemen­ te, und zwar sowohl Zahnrienen 11 als auch Zahnketten, zur Anwendung kommen. In einem solchen Fall erhalten die Umlenkrollen 12, 13 dann an ihrem Umfang ebenfalls eine Verzahnung, in die der Zahnriemen 11 (mit der Verzahnung seiner Rückseite) oder in die eine Zahnkette eingreift.

Insbesondere in der Handhabungs- bzw. Robotertechnik er­ gibt sich häufig die Notwendigkeit, unterschiedliche Drehzahlen von einer gemeinsamen Hauptwelle und mit ei­ ner zwangsläufig festen Zuordnung (Übersetzungsverhält­ nis und Synchronität) abzuleiten. Zu diesem Zweck werden Umlenkrollen 12′ und 13 mit unterschiedlichen Durchmes­ sern bzw. Teilkreisdurchmessern vorgesehen, wodurch sich dann auch entsprechend unterschiedliche Drehzahlen der Umlenkrollen 12′ bzw. 13 ergeben.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum spielfreien Weiterleiten und ggfs. Um­ wandeln einer Drehbewegung mit Hilfe eines als Schleife ausgebildeten, endlosen mit einer Verzahnung versehenen Übertragungselements, insbesondere für die schnelle und repetierbare Verstellung von Werkzeugen oder Werkzeug­ tischen, Handhabungsgeräten oder Robotern, wobei das end­ lose Übertragungselement mit Antriebs- und Abtriebsseite ständig in Eingriff ist, die Schleife des endlosen Über­ tragungselements mit ihrer Rückseite zwei Umlenkrollen kraftschlüssig umschlingt und ein zu Null hin tendieren­ der, vernachlässigbar geringer Abschnitt des endlosen Übertragungselements weder eine form- noch eine kraft­ schlüssige Abstützung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß von zwei Seiten her jeweils ein mit Verzahnung verse­ hener Kreisbogen (10, 14, 14 a, 15, 15 a) mit der Verzah­ nung des endlosen Übertragungselements (11) in Eingriff steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den verzahnten Kreisbögen (10, 14, 14 a, 15, 15 a) um Kreissegmente handelt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den verzahnten Kreisbögen (10, 14, 14 a, 15, 15 a) um Zahnräder handelt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem endlosen Übertra­ gungselement (11) um einen Zahnriemen mit geringem Flan­ kenwinkel, insbesondere mit einem halbkreisförmigen Zahn­ querschnitt, handelt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden in die Verzahnung des end­ losen Übertragungselements (11) eingreifenden verzahnten Kreisbögen (10, 14, 14 a, 15, 15 a) etwa gleiche Krümmungs­ radien aufweisen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden in die Verzahnung des end­ losen Übertragungselements (11) eingreifenden verzahnten Kreisbögen (10, 14, 14 a, 15, 15 a) stark differierende Krümmungsradien aufweisen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungselement (11) beidsei­ tig und die Umlenkrollen (12, 13) an ihrem Umfang eine Verzahnung aufweisen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkrollen (12, 13) unter­ schiedliche Durchmesser bzw. Teilkreisdurchmesser aufwei­ sen.