DE3806613A1 - Driving device for the play-free conversion of a rotary motion to a linear motion - Google Patents
Driving device for the play-free conversion of a rotary motion to a linear motionInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsvorrichtung ge mäß Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a drive device ge according to the preamble of claim 1.
Eine solche Antriebsvorrichtung ist grundsätzlich bereits aus dem deutschen Patent 29 10 373 bekannt.Such a drive device is basically already from the German patent 29 10 373 known.
Die steigenden Anforderungen an Antriebs- und Umsetzungssy steme im dynamischen Bereich, die sich durch den verstärkten Einsatz von CNC-Technik ergeben, lassen bestimmte Kriterien wie beispielsweise Spielfreiheit, Steifigkeit, Verminderung der Massen, und zwar unter Beibehaltung einer hohen Lebens dauer und Verfügbarkeit, bei weitgehender Wartungsfreiheit und Schwingungsdämpfung, immer wichtiger werden. Darüber hin aus kommen einer vom Verfahrweg unabhängigen Systembauweise sowie einer puls- und ruckfreien Bewegung erhebliche Bedeu tung zu.The increasing demands on the drive and implementation system stems in the dynamic range, which are characterized by the reinforced Use of CNC technology results in certain criteria such as backlash, rigidity, reduction of the masses, while maintaining a lofty life duration and availability, largely maintenance-free and vibration damping are becoming increasingly important. Beyond that come from a system design that is independent of the travel path as well as a pulse-free and jerk-free movement is of considerable importance tion too.
Eine wirklich gleichförmige Bewegung ist mit den bekannten Antriebssystemen, wie beispielsweise Zahnstange/Ritzel nicht möglich, da der ein- und auslaufende Zahn, wenn er vorge spannt sein muß, wechselnde Reibwerte der Abwälzung erzeugt.A really uniform movement is familiar with those Drive systems such as rack and pinion not possible, as the incoming and outgoing tooth, if it is present must be tensioned, alternating coefficients of friction generated by the rolling.
Selbst bei Kugelspindeln ist die ein- bzw. auslaufende Kugel im Umlenksystem noch spürbar.Even with ball spindles, the incoming or outgoing ball is still noticeable in the deflection system.
Mangels anderer Lösungen ist aber dennoch noch immer das Zahnriemen-Antriebsprinzip weitverbreitet, das ohne eine Reibschlußunterstützung und somit mit störenden Dehnungen ar beitet, die sich während des Bewegungsablaufes ständig än dern. Diese wechselnde Steifigkeit bringt bei dynamischen Be wegungsverknüpfungen ein Pulsieren des Bewegungsablaufes und wegen des Zurückbleibens beim Beschleunigen und wegen des Überschwingens beim Bremsen eine störende Wegverfälschung. Aus diesem Grunde ist ein wirklich exaktes Konturverfahren nicht möglich. Hinzu kommt, daß die hohe Nachgiebigkeit ei nen Einsatz - beispielsweise beim Zerspanen - wegen der feh lenden Eigendämpfung in vielen Fällen unmöglich macht.In the absence of other solutions, however, the toothed belt drive principle is still widespread, which ar processed without a frictional connection support and thus with disruptive expansions that constantly change during the sequence of movements. This changing stiffness brings a pulsation of the motion sequence with dynamic Be motion links and because of the lagging behind when accelerating and because of the overshoot when braking, a disturbing path falsification. For this reason, a really exact contour method is not possible. In addition, the high level of resilience makes it impossible to use it - for example when machining - because of the lack of internal damping in many cases.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bei Zahnriemen antrieben üblichen, mit Impulsen oder Stößen überlagerten Be wegungsablauf weiter zu optimieren.The invention is based on the object of the toothed belt driven conventional loading superimposed with impulses or shocks to further optimize the movement sequence.
Die Lösung erfolgt mit Hilfe der Merkmale des Anspruches 1.The solution takes place with the help of the features of claim 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran sprüchen.Advantageous further developments result from the Unteran sayings.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungs beispiels im einzelnen beschrieben. Es zeigen:The invention is explained below on the basis of an embodiment example described in detail. Show it:
Fig. 1 in einer schematisierten Schnittdarstellung die Funktion des Riemenantriebs sowie Fig. 1 in a schematic sectional view the function of the belt drive and
Fig. 2a und b eine speziell für gewölbte Auflageflächen aus gebildete Unterlage im Längsschnitt bzw. im Quer schnitt. Fig. 2a and b a specially formed for curved bearing surfaces from pad in longitudinal section or in cross-section.
In der Fig. 1 ist mit 11 ein feststehendes Bett darge stellt, auf dem sich eine Unterlage 12 für einen Riemen 13 befindet. Durch entsprechende Formgebung und Materialwerte der Oberfläche der Unterlage 12 wir ein Reibwert von mehr als 1,0 gegenüber dem aufliegenden Riemen 13 erreicht. Um auch hohe Kräfte übertragen zu können, sind im Riemen 13 in seiner Längsrichtung Zugstränge 20 aus glasfaserverstärktem Kunststoff, aus kohlefaserverstärktem Kunststoff oder aus Stahl eingebettet. Die Enden des Riemens 13 werden an Span nern 14 befestigt. Der Antrieb erfolgt über ein Antriebsrad 15, das aber anders als bei den bisher üblichen Antriebsvor richtungen nicht als Antriebsritzel, sondern als ein An triebsrad mit Reibbelag ausgebildet ist.In Fig. 1, 11 is a fixed bed Darge provides on which a pad 12 for a belt 13 is located. By appropriate shaping and material values of the surface of the base 12, a coefficient of friction of more than 1.0 compared to the belt 13 on top is achieved. In order to also be able to transmit high forces, tensile cords 20 made of glass fiber reinforced plastic, carbon fiber reinforced plastic or steel are embedded in the belt 13 in its longitudinal direction. The ends of the belt 13 are attached to spans 14 . The drive takes place via a drive wheel 15 , which, however, unlike in the previously usual Antriebsvor directions, is not designed as a drive pinion, but as a drive wheel with a friction lining.
Zu beiden Seiten des Antriebsrades 15 sind Umlenkelemente 16, insbesondere Umlenkrollen vorgesehen, die für eine sol che Führung des Riemens 13 sorgen, daß dieser mit dem An triebsrad 15 einen möglichst großen Umschlingungswinkel bil det.On both sides of the drive wheel 15 deflection elements 16 , in particular pulleys, are provided, which ensure a sol surface guidance of the belt 13 that this with the drive wheel 15 as large a wrap angle bil det.
Zu beiden Seiten der der Anordnung von Antriebsrad 15 und Um lenkelementen 16 können druckbeaufschlagte Andrückkufen 17 vorgesehen werden, an deren Unterseite in an sich bekannter Weise ein Luftpolster aufgebaut werden kann, dessen Druck ge genüber der Rückseite des Riemens 13 zumindest geringfügig größer ist als der an sich vorhandene Druck - beispielsweise durch eine Feder - auf die Andrückkufe 17, so daß bei Vorhan densein des Luftpolsters die Andrückkufe 17 vom Rücken des Riemens 13 abgehoben wird und dieser somit ohne Reibung gege nüber der Andrückkufe 17 gleiten kann, aber dennoch einen so großen Vertikaldruck erfährt, daß die gewünschte Reibschlu ßunterstützung an der Unterlage 12 in jedem Fall gewährlei stet ist.On both sides of the arrangement of the drive wheel 15 and order steering elements 16 pressurized Andrückkufen 17 can be provided on the underside in a known manner an air cushion can be built, the pressure ge compared to the back of the belt 13 is at least slightly greater than that on Existing pressure - for example by a spring - on the Andrückkufe 17 , so that when the air cushion is present, the Andrückkufe 17 is lifted from the back of the belt 13 and this can slide without friction against the Andrückkufe 17 , but still such a large vertical pressure learns that the desired Reibschlu ßunterstützung on the pad 12 is guarante in any case.
Während bei mehreren bekannten Linearantrieben mit Stützzahn stangen das Problem mit der Zahnteilungs-Ungenauigkeit und der gezielten Spielfrei-Einstellung über die Umlenkrollen 16 besteht, kann bei der oben beschriebenen Ausführungsform mit festen Achsabständen beim Antriebsrad 15 und bei den Umlenke lementen 16 gearbeitet werden und die Spannung an den Span nern 14 den gewünschten Andrückkräften bei den Umschlin gungsantrieben problemlos angepaßt werden.While in several known linear drives with support tooth rods the problem with the tooth pitch inaccuracy and the targeted backlash-free setting via the pulleys 16 , can be used in the embodiment described above with fixed center distances for the drive wheel 15 and the deflection elements 16 and the tension on the Span nern 14 the desired pressing forces in the Umschlin supply drives can be easily adapted.
In diesem Zusammenhang ist es von untergeordneter Bedeutung, daß keine formschlüssige Verbindung zwischen dem Antriebsrad 15 und dem Riemen 13 und damit keine aus sich heraus positi onsgenaue Zuordnung gegeben ist, da modernere Antriebe mit unabhängigen Meßsystemen arbeiten, d.h. ihre Positionierung über parallelliegende Maßstäbe erfolgt.In this context, it is of secondary importance that no positive connection between the drive wheel 15 and the belt 13 and thus no positi onsgenaue assignment is given, since more modern drives work with independent measuring systems, ie their positioning takes place on parallel scales.
In der Fig. 1 sind die verschiedenen Belastungszonen des Riemens im einzelnen gekennzeichnet. Im Bereich A befindet sich der Riemen 13 im Umschlingungsbetrieb. Der Übergang auf die Umlenkelemente 16 ist sehr kurz, um die Dehnbereiche des Riemens 13 so klein wie möglich zu halten.The various stress zones of the belt are marked in detail in FIG. 1. In area A , the belt 13 is in loop mode. The transition to the deflecting elements 16 is very short in order to keep the stretch areas of the belt 13 as small as possible.
Im Bereich der Umlenkelemente 16 erhält der Riemen 13 eine Reibschlußunterstützung, während im Bereich R der Kraftfluß, d.h. die Vorschubkraft, bereits auf den feststehenden Reibbe lag der Unterlage 12 und das Bett 11 geleitet werden. Die wandernden Längen L 1 und L 2 werden demnach nicht belastet. Bei Fortfall der Pressluft für die Luftpolster werden die druckbelasteten Andrückkufen 17 gegen die Rückseite des Rie mens 13 gepresst und ermöglichen so eine spielfreie, hoch wirksame kraftschlüssige Arretierung in den Bereichen R, da sich nach dem Abbau des Luftpolsters die Andrückkufen 17 di rekt auf den Rücken des Riemens 13 auflegen und damit als Bremse wirken.In the area of the deflecting elements 16 of the belt 13 receives a frictional support, while in the area R, the power flow, ie the feed force, was already on the stationary Reibbe the pad 12 and the bed 11 are passed. The moving lengths L 1 and L 2 are therefore not burdened. If the compressed air for the air cushions is no longer available, the pressure-loaded Andrückkufen 17 are pressed against the back of the Rie mens 13 and thus enable a play-free, highly effective frictional locking in the areas R , since after the breakdown of the air cushion, the Andrückkufen 17 directly on the back of the belt 13 and thus act as a brake.
Eine weitere Verbesserung ergibt sich durch ein Querprofil, wie es in Fig. 2a und 2b dargestellt ist. Durch die tonnen förmige Wölbung des Querschnitts der Unterlage 12 (Fig. 2b) und die seitliche Begrenzung durch Borde 21 erfährt der Rie men 13 bei seinem Einlaufen in die in diesem Fall nutförmige Unterlage 12 eine geringfügige Pressung in Querrichtung und durch die vorhandene Wölbung gleichzeitig einen erhöhten An pressdruck auf die Unterlage 12. Damit wird der Reibschluß weiter verbessert.A further improvement results from a transverse profile as shown in FIGS. 2a and 2b. Due to the barrel-shaped curvature of the cross-section of the base 12 ( Fig. 2b) and the lateral delimitation by shelves 21 , the belt 13 experiences a slight pressure in the transverse direction as it enters the groove-shaped base 12 in this case and the curvature present at the same time increased contact pressure on the base 12 . This further improves the frictional engagement.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Reibbelag der Un terlage 12 als keramische Schicht mit relativ großem Reib wert auszubilden. Das Trägerprofil des Reibbelages kann aber auch mit einer Körnung versehen sein. Er kann auch aus einem aufgespritzten Metallpulver mit Karbiden bestehen. In beson deren Fällen können auch Diamantsplitter in das Trägerprofil eingelassen bzw. im Metallspritzverfahren aufgebracht wer den.It has proven advantageous to design the friction lining of the un pad 12 as a ceramic layer with a relatively high friction value. The carrier profile of the friction lining can, however, also be provided with a grain size. It can also consist of a sprayed-on metal powder with carbides. In special cases, diamond splinters can also be embedded in the carrier profile or applied using a metal spraying process.
Um die Längssteifigkeit des Riemens 13 unter Beibehaltung seiner Querelastizität zu erhöhen, können glasfaserverstärk te Kunststoffstränge, kohlefaserverstärkte Kunststoffstränge oder Stahlseile in Längsrichtung des Riemens angeordnet wer den.In order to increase the longitudinal stiffness of the belt 13 while maintaining its transverse elasticity, glass fiber reinforced plastic strands, carbon fiber reinforced plastic strands or steel cables can be arranged in the longitudinal direction of the belt.
Dabei kann die Verteilung der Zugstränge 20, d.h. der Kunst stoffstränge oder Stahlseile, ungleichmäßig über die Breite des Riemens 13 verteilt sein. So können die Zugstränge 20 beispielsweise vorzugsweise in der Mitte oder in den Randbe reichen des Riemens 13 angeordnet sein, um insbesondere un terschiedliche Dehnungen des Riemens 13 über seine Breite im Bereich der gewölbten Umlenkelemente 22 zuzulassen.The distribution of the tension cords 20 , ie the plastic cords or steel cables, can be distributed unevenly over the width of the belt 13 . For example, the tension cords 20 can preferably be arranged in the middle or in the Randbe range of the belt 13 in order to allow in particular un different expansions of the belt 13 over its width in the area of the arched deflecting elements 22 .
Die Reibkräfte können durch senkrecht zur Oberfläche der Un terlage 12 auf ein magnetisierbares Band bzw. auf einen Rie men 13, 23 wirkende Magnetkräfte verstärkt werden. Diese Magnetkräfte können beispielsweise durch Elektro-Magnete er zeugt werden, die in Längsrichtung der Unterlage 12 gleich mäßig verteilt angeordnet sind. So können bei Bedarf magne tische Kräfte sowohl in der einen als auch in der anderen Richtung erzeugt werden. The frictional forces can be reinforced by perpendicular to the surface of the pad 12 on a magnetizable tape or on a Rie men 13 , 23 acting magnetic forces. These magnetic forces can be generated, for example, by electro-magnets, which are arranged evenly distributed in the longitudinal direction of the pad 12. If necessary, magnetic forces can be generated in one direction as well as in the other.
Wird das magnetisierbare Band bzw. der Riemen 13, 23 gegen die Unterlage gezogen, so erhöhen sich damit die übertragba ren Reibkräfte, wird hingegen durch Umpolung der Elektro- Magnete eine Magnetkraft in der anderen Richtung erzeugt, so wird das magnetisierbare Band bzw. der Riemen 13, 23 gegen die Andrückkufen 17 des verfahrbaren Teils 25 gedrückt und dieser durch die so erzielte Bremswirkung gegen ungewolltes Verfahren gesichert.If the magnetizable band or the belt 13 , 23 is pulled against the base, the transferable frictional forces increase, but if a magnetic force is generated in the other direction by reversing the polarity of the electromagnets, the magnetizable band or the belt becomes 13 , 23 pressed against the pressing runners 17 of the movable part 25 and this secured against unintentional movement by the braking effect achieved in this way.
Das magnetisierbare Band bzw. der Riemen kann auch als Stahl band ausgebildet und zumindest einseitig mit einer flexiblen Schicht aus Kunststoff oder anderen geeigneten Materialien als Reibfläche versehen sein.The magnetizable band or the belt can also be made of steel band formed and at least on one side with a flexible Layer of plastic or other suitable materials be provided as a friction surface.
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