DE3729649A1 - Linearantrieb fuer eine werkzeugmaschine, insbesondere eine portal-graviermaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Linearantrieb für eine Werkzeugmaschine, insbesondere eine Portal-Graviermaschine, mit einem Rahmen, einer ein Gewinde aufweisenden Spindel und einer der Spindel bzw. dem Gewinde zugeordneten Mutter, die in einem linear geführten Gehäuse vorgesehen ist, sowie mit einem Motor für eine Relativverdrehung zwischen Spindel und Mutter. Linearantriebe für Werkzeugmaschinen dienen dazu, beispielsweise ein Bearbeitungswerkzeug, einen Tisch, einen Schlitten o. dgl. linear in einer Richtung hin und her zu bewegen, meist, um die relative Lage zwischen einem Werkzeug und einem Werkstück einzustellen oder zu verändern. Insbesondere bei Portal-Graviermaschinen stellt sich diese Aufgabe des Linearantriebs in mehrfacher Weise für die einzelnen Raumrichtungen.

Es ist ein Linearantrieb für eine Portal-Graviermaschine bekannt, der die eingangs genannten Merkmale aufweist. Dabei wird am Rahmen ein Motor ortsfest gelagert, der in der Regel als Schrittmotor oder Servomotor ausgebildet ist. Eine mit Gewinde versehene Spindel ist am Rahmen drehbar gelagert und erstreckt sich mit ihrer Achse in der Richtung, in der auch der Linearantrieb hin und hergehend erfolgen soll. Der Motor treibt die Spindel an, was entweder in fluchtender Anordnung oder auch in Winkel-Anordnung erfolgen kann, insbesondere dann, wenn eine Übersetzungsstufe in diesem Antrieb vorgesehen ist. Auf der Spindel ist das Gewinde angeordnet, so daß in Verbindung mit einer Mutter mit zugehörigem Gewinde meist ein Trapezspindeltrieb oder aber auch ein Kugelgewindetrieb mit umlaufenden Kugeln eingesetzt wird. Die der Spindel zugeordnete Mutter wird entweder selbst oder aber zumindest in ihrem Gehäuse verdrehsicher geführt, wobei auch das Gehäuse selbst in Richtung der Linearbewegung geführt ist. Durch die Übertragung des Drehantriebs von dem Motor auf die Spindel reitet die Mutter mit ihrem Gehäuse gleichsam unverdrehbar lediglich in der gewünschten axialen Richtung auf der Spindel hin und her, so daß damit verschiedene Positionen angefahren werden können. Das betreffende Bearbeitungswerkzeug, der Schlitten o.dgl. sind dann mit der Mutter bzw. deren Gehäuse verbunden. Die Mutter bzw. das Gehäuse führt die gewünschte lineare Axialbewegung aus und es wird auf diese Art und Weise z. B. eine X-Koordinate abgefahren oder eingesteuert. Sofern an dem Gehäuse der Mutter ein Bearbeitungswerkzeug gelagert ist, besitzt dieses Bearbeitungswerkzeug in der Regel einen weiteren Motor, der beispielsweise bei einer Portal- Graviermaschine eine Gravierspindel antreibt. Dieser beschriebene grundsätzliche Aufbau ist auch bei allgemeinen Werkzeugmaschinen bzw. Bearbeitungsmaschinen im Werkzeugmaschinenbau bekannt. Nachteilig an diesem bekannten Linearantrieb ist, daß relativ große Massen rotierend bewegt werden müssen. Es handelt sich dabei um die Masse der Spindel und des Ankers des Motors. Wenn der Linearantrieb eine bestimmte maximale Axiallänge aufweisen muß, muß sich natürlich auch die Spindel mindestens über diesen Weg erstrecken, wodurch die Masse selbst bei relativ kleinem Durchmesser der Spindel dann erheblich ist. Die aus dieser Masse erwachsenen Rotations-Trägheitsmomente sind erstaunlich hoch. Dies wiederum schränkt die mögliche Beschleunigung und damit auch die Geschwindigkeit des Linearantriebs stark ein. Diesem Nachteil kann man dadurch begegnen, daß eine erhöhte Antriebsleistung und damit ein größerer Motor eingebaut wird. Mit dem größeren Motor erhöht sich aber wiederum zumindest die Masse seines Ankers. Auf diese Art und Weise läßt sich also das angesprochene Problem nicht grundsätzlich lösen.

Weiterhin erfordert die Anordnung der drehbaren Spindel eine aufwendige Lagerung derselben am Rahmen, ganz abgesehen von der Dimensionierung der Spindel, die bei großen Wegen eben eine relativ große Länge und auch einen entsprechenden Durchmesser aufweisen muß. Die Genauigkeit des Linearantriebs ist von der Summe verschiedener Toleranzen abhängig. Es additieren sich hier die Toleranzen der Spindellagerung und des Spiels zwischen dem Gewinde der Spindel und dem Gewinde der Mutter. Die Spindel muß weiterhin, insbesondere bei großen Massen und langen Wegen, relativ lang ausgebildet sein, um den gewünschten Verfahrweg überbrücken zu können. Bei solchen Spindeln ergeben sich dann jedoch relativ niedrig liegende, kritische Drehzahlen, bei denen somit die Resonanzfrequenz der Spindel eintritt bzw. erreicht wird. Die Vorschubgeschwindigkeit des Linearantriebs ist hierdurch begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Linearantrieb der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, daß bei geringer Antriebsleistung des eingesetzten Motors hohe Beschleunigungen und damit auch hohe Vorschubgeschwindigkeiten zu erreichen sind. Dies spielt insbesondere dann eine Rolle, wenn es bei einem solchen Linearantrieb besonders auf hohe Beschleunigungen ankommt, während die damit bzw. dabei zu übertragenden Kräfte vergleichsweise gering sind.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Linearantrieb der eingangs beschriebenen Art dadurch erreicht, daß die das Gewinde aufweisende Spindel starr und damit nicht-drehbar am Rahmen gelagert ist, daß die Mutter über den Motor antreibbar und drehbar in dem geführten Gehäuse gelagert ist, und daß der Motor auf dem geführten Gehäuse angeordnet ist. Durch die starre Lagerung der Spindel wird diese gleichsam Bestandteil des Rahmens, d. h. sie kann Tragefunktion übernehmen und den Rahmen insgesamt aussteifen. Damit ergibt sich auch der besondere Vorteil, daß kritische Drehzahlen der Spindel keine Rolle mehr spielen und die Spindel somit nach anderen Kriterien dimensioniert werden kann. Da die Mutter über den Motor angetrieben wird und die Masse der Mutter im Vergleich zur Masse der Spindel wesentlich kleiner ist und auch entsprechend klein gestaltet werden kann, ergeben sich geringe Rotations-Trägheitsmomente, die sich vorteilhaft in einer hohen erreichbaren Beschleunigung und einer hohen Verfahrgeschwindigkeit äußern. Der Antrieb wird durch die starre Lagerung der Spindel sehr steif, was vorteilhaft ist. Es sind auch ohne Weiteres höhere Beschleunigungsmomente möglich, also hohe Motordrehzahlen. Die kritische Drehzahl der Mutter liegt im Vergleich zur kritischen Drehzahl der Spindel weit höher und wir auch bei auf diese Weise erhöhten Motordrehzahlen nicht erreicht. Ganz erstaunlich aber ist es, daß es völlig ausreicht, eine relativ kleine Antriebsleistung zu installieren, die an sich lediglich ausreichen muß, um die Verdrehung der Mutter zu erreichen. Durch die starre Lagerung der Spindel entfällt die Toleranz des Drehlagers der Spindel im Stand der Technik und die hieraus zurückzuführenden Nachteile. Ein solcher Linearantrieb läßt sich besonders preiswert bauen und auch die Motorunterbringung bereitet infolge der Kleinheit des Motors keinerlei Schwierigkeiten. Weiterhin tritt vorteilhaft eine Verminderung der Umkehrlose durch Wegfall der Lagerung der Spindel ein. Der neue Linearantrieb eignet sich somit in besonderer Weise für hohe Beschleunigungen und geringe zu übertragende Kräfte.

Die Spindel kann am Rahmen vorgespannt gelagert sein, wobei also auf die Spindel eine Vorspannung aufgebracht wird, die freilich im elastischen Bereich liegt. Hierdurch wird die Steifigkeit der Spindel erhöht. Hieraus resultiert eine höhere Genauigkeit des Linearantriebs.

Die Mutter kann mit einer Zahnriemenscheibe versehen sein, wobei der Motor ebenfalls eine Zahnriemenscheibe aufweist; es ist dann ein die beiden Zahnriemenscheiben verbindender Zahnriemen vorgesehen. Zwar sind auch andere Übertragungselemente für den Drehantrieb des Motors möglich, jedoch ist ein solcher Zahnriementrieb sehr vorteilhaft, weil er die unvermeidlichen Vibrationen des Motors dämpft, so daß diese nur teilweise in die anderen Elemente des Linearantriebs übertragen werden.

Der Motor kann mit seiner Achse parallel zu der Achse der Spindel am Gehäuse gelagert sein. Hierdurch ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau. Es versteht sich, daß am Gehäuse zu diesem Zweck eine Konsole, ein Winkel o. dgl. vorgesehen sein kann, an dem der Motor angeflanscht ist. Die Entfernung zwischen der Achse des Motors und der Achse der Spindel kann eingestellt bzw. nachgestellt werden, um auf diese Weise die Spannung des Zahnriemens zu regulieren bzw. einzustellen.

Mit besonderem Vorteil sind der Spindel jedoch zwei Muttern zugeordnet, die nahe beieinander gelagert sind, wobei beide Muttern über zumindest ein nachstellbares Axiallager gegenseitig angestellt sind. Damit ist es möglich, das Spiel zwischen den Gewinden der beiden Muttern und dem Gewinde der Spindel einzustellen bzw. ein allzu großes Spiel wegzuverstellen, damit auf diese Art und Weise die Genauigkeit des Linearantriebs verbessert werden kann. Damit kann der sonst unvermeidliche Umkehrweg wegverstellt werden.

Im Bereich der beiden Muttern kann eine Zahnriemenscheibe angeordnet sein, die vorzugsweise mit beiden Muttern über eine Nut/Feder-Verbindung, einen Paßkeil o. dgl. zu einer verdrehgesicherten Einheit verbunden ist. Diese Nut/Feder- Verbindung dient dabei nicht nur zur Übertragung des Drehmoments von dem Motor her, sondern erfüllt gleichzeitig die Aufgabe, die beiden Muttern verdrehgesichert gegeneinander zu führen bzw. miteinander zu verbinden. Natürlich ist es auch möglich, die Zahnriemenscheibe nur mit einer Mutter zu verbinden und die beiden Muttern untereinander in Eingriff zu bringen.

Zum Nachstellen der Axiallager können eine oder mehrere Gewindescheiben vorgesehen sein, die im geführten Gehäuse in einem Gewinde verdrehbar gelagert sind. Auf diese Weise kann eine einfache Einstellung des Linearantriebs und auch ein Nachstellen z. B. nach aufgetretenem Verschleiß erfolgen.

Das geführte Gehäuse weist eine Öffnung für den Durchtritt des Zahnriemens auf. Der Motor ist an dem geführten Gehäuse gelagert und wird damit über den Verfahrweg mitbewegt. Die Masse des Motors wird dabei linear bewegt, d. h. sie vergrößert das Rotations-Trägheitsmoment nicht. Im übrigen genügt eine relativ kleine Antriebsleistung, also ein kleiner Motor, um selbst hohe Beschleunigungen zu erzielen.

Die Erfindung wird anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter erläutert und beschrieben. Die Figur zeigt die wesentlichen Einzelteile des Linearantriebs, teilweise geschnitten.

In der Figur sind Teile eines ortsfesten Rahmens 1 dargestellt, zwischen denen eine Spindel 2 angeordnet ist, die entlang ihrer Erstreckung mit einem nicht dargestellten Gewinde versehen ist. Die Spindel 2 ist in dem Rahmen unter Vorspannung gelagert. Diese Vorspannung kann durch Schrauben 3 aufgebracht werden. Der Spindel 2 mit ihrem nicht dargestellten Gewinde sind zwei ähnlich oder identisch ausgebildete Muttern 4 und 5 zugeordnet, die unter geringem gegenseitigen Abstand 6 auf der Spindel 2 mit entsprechendem Gegengewinde angeordnet sind. Die beiden Muttern 4 und 5 werden über einen Teil ihrer axialen Länge von einer Zahnriemenscheibe 7 überdeckt, wobei eine Nut/ Feder-Verbindung 8 die beiden Muttern 4 und 5 sowie die Zahnriemenscheibe 7 zu einer gegeneinander nicht verdrehbaren Einheit zusammenfaßt. Beispielsweise können die beiden Muttern 4 und 5 in axialer Richtung auf ihrem Umfang eine durchgehende Nut 9 aufweisen, wobei auch die Zahnriemenscheibe 7 auf ihrem inneren Umfang eine entsprechende Nut aufweist. Ein durchgehender Keil ist dann in diese Nuten eingeschoben und verbindet die drei Teile untereinander. Durch eine solche Nut/Feder-Verbindung 8, die auch als Paßkeil ausgebildet sein kann, wird nicht nur die Relativverdrehung der beiden Muttern 4 und 5 gegeneinander verhindert, sondern gleichzeitig auch der Drehantrieb über die Zahnriemenscheibe 7 auf die beiden Muttern 4 und 5 übertragen. Dieser Drehantrieb wird von einem Motor 10 abgeleitet, der auf einer Konsole 11, die an einem geführten Gehäuse 12 befestigt ist, abgeleitet. Auf der Achse des Motors sitzt eine weitere Zahnriemenscheibe 13 und ein Zahnriemen 14 sorgt für die Übertragung des Drehantriebs auf die Zahnriemenscheibe 7. Das Gehäuse 12 ist linear in Richtung der Achse 15 der Spindel 2 geführt. Diese Führung ist hier nicht dargestellt.

Die beiden Muttern 4 und 5 sind in dem geführten Gehäuse 12 und gegenüber diesem verdrehbar gelagert. Hierzu dienen Axiallager 16 und 17, die symmetrisch angeordnet und ausgebildet sein können. In dem Gehäuse 12 sind Gewindescheiben 18, 19, 20 in Gewindestücken drehbar und damit axial verstellbar gelagert, so daß durch die Relativverdrehung der Gewindescheiben 18, 19, 20 gegeneinander das axiale Spiel der Muttern 4 und 5 hinwegverstellt und auch auf diese Art und Weise das Umkehrspiel des Lineartriebs beseitigt werden kann. Auch zu Nachstellzwecken bei aufgetretenem Verschleiß können die Gewindescheiben entsprechend verdreht werden. Das geführte Gehäuse 12 weist eine Öffnung 21 für den Durchtritt des Zahnriemens 14 auf.

Mit dem geführten Gehäuse 12 kann z. B. eine gestrichelt dargestellte Konsole 22 verbunden sein, die eine ebenfalls gestrichelt dargestellte Gravierspindel 23 trägt, die wiederum einen eigenen Motor für deren Drehantrieb aufweist. Am Ende der Gravierspindel ist dann ein entsprechendes Gravierwerkzeug eingespannt, so daß erkennbar ist, daß der Linearantrieb in der X-Richtung entsprechend dem Doppelpfeil 24 eingesetzt werden kann.

Der dargestellte Linearantrieb kann jedoch auch für die Y­ Richtung an Portal-Graviermaschinen eingesetzt werden. In diesem Fall ist sodann mit dem geführten Gehäuse 12 eine Tischplatte 25 verbunden, die in strichpunktierter Darstellung angedeutet ist. Es versteht sich, daß auf diese Art und Weise der Linearantrieb bei einer Portal- Graviermaschine zweimal Verwendung finden kann. Weitere Einsatzmöglichkeiten sind ohne Weiteres denkbar.

Wenn der Motor 10 angesteuert wird, um eine Drehbewegung auszuführen, dann überträgt er diese Drehbewegung zunächst auf die Zahnriemenscheibe 13 und über den Zahnriemen 14 auf die Zahnriemenscheibe 7 und damit auf die beiden Muttern 4 und 5. Die Muttern 4 und 5 rotieren auf der stillstehenden Spindel 2 und bewirken damit eine Axialbewegung in Richtung des Doppelpfeils 24, so daß das Gehäuse 12 mitsamt der Konsole 11, dem Motor 10 und beispielsweise der Tischplatte 25 in der entsprechenden Richtung verfahren wird. Man erkennt, daß die Rotations- Trägheitsmomente sehr klein sind, weil die Massen der beiden Muttern 4 und 5 sowie der Zahnriemenscheibe 7 relativ klein sind. Dabei können vorteilhaft hohe Beschleunigungen und somit auch hohe Verfahrgeschwindigkeiten erreicht werden.

Bezugszeichenliste

 1 Rahmen
 2 Spindel
 3 Schraube
 4 Mutter
 5 Mutter
 6 Abstand
 7 Zahnriemenscheibe
 8 Nut/Feder-Verbindung
 9 Nut
10 Motor
11 Konsole
12 Gehäuse
13 Zahnriemenscheibe
14 Zahnriemen
15 Achse
16 Axiallager
17 Axiallager
18 Gewindescheibe
19 Gewindescheibe
20 Gewindescheibe
21 Öffnung
22 Konsole
23 Gravierspindel
24 Doppelpfeil
25 Tischplatte

Claims (8)

1. Linearantrieb für eine Werkzeugmaschine, insbesondere eine Portal-Graviermaschine, mit einem Rahmen, einer ein Gewinde aufweisenden Spindel und einer der Spindel bzw. dem Gewinde zugeordneten Mutter, die in einem linear geführten Gehäuse vorgesehen ist, sowie mit einem Motor für eine Relativverdrehung zwischen Spindel und Mutter, dadurch gekennzeichnet, daß die das Gewinde aufweisende Spindel (2) starr und damit nicht-drehbar am Rahmen (1) gelagert ist, und daß die Mutter (4) über den Motor (10) antreibbar und drehbar in dem geführten Gehäuse (12) gelagert ist, und daß der Motor (10) auf dem geführten Gehäuse (10) angeordnet ist.

2. Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindel (2) am Rahmen (1) vorgespannt gelagert ist.

3. Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mutter (4) mit einer Zahnriemenscheibe (7) versehen ist und der Motor (10) ebenfalls eine Zahnriemenscheibe (13) aufweist, und daß ein die beiden Zahnriemenscheiben (7, 13) verbindender Zahnriemen (14) vorgesehen ist.

4. Linearantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (10) mit seiner Achse parallel zu der Achse (15) der Spindel (2) am Gehäuse (12) gelagert ist.

5. Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spindel (2) zwei Muttern (4, 5) zugeordnet sind, die nahe beieinander gelagert sind, und daß beide Muttern (4, 5) über zumindest ein nachstellbares Axiallager (17) gegeneinander angestellt sind.

6. Linearantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der beiden Muttern (4, 5) eine Zahnriemenscheibe (7) angeordnet ist, und daß die Zahnriemenscheibe (7) vorzugsweise mit beiden Muttern (4, 5) über eine Nut/Feder-Verbindung (8), einen Paßkeil o. dgl., zu einer verdrehgesicherten Einheit verbunden sind.

7. Linearantrieb nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Nachstellen der Axiallager (16, 17) eine oder mehrere Gewindescheiben (18, 19, 20) vorgesehen sind, die im geführten Gehäuse (12) in einem Gewinde verdrehbar gelagert sind.

8. Linearantrieb nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das geführte Gehäuse (12) eine Öffnung (21) für den Durchtritt des Zahnriemens (14) aufweist.