DE4134100A1 - Linearmotor-antriebseinheit - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Linearmotor- Antriebseinheit mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen und betrifft insbesondere eine Linearmotor-Antriebseinheit, welche kompakt im Aufbau ist und als Grundkonstruktion eine wälzgelagerte Geradeführungs­ einheit enthält.

Geradeführungseinheiten mit Wälzlager enthalten gewöhnlich eine Schiene bestimmter Länge, auf der ein Schlitten durch eine Vielzahl von rollfähigen oder Wälzlagerelementen, wie Kugeln oder Rollen, die zwischen der Schiene und dem Schlitten angeordnet sind, verschiebbar gelagert ist. Solche Geradeführungseinheiten mit Wälzlager werden typischerweise mit einem Linearmotor als Antrieb gekoppelt, um den Schlitten bezüglich der Schiene zu verschieben. Der Linear­ motor ist gewöhnlich eine eigene Baueinheit und mit dem Schlitten der Geradeführungseinheit über einen Arm verbunden. Der Linearmotor enthält typischerweise eine Konstruktion, die einer Abwicklung eines rotierenden Motors, der einen Rotor, einen Stator und einen Luftspalt zwischen diesen enthält, in die Ebene entspricht und er stellt eine Einrichtung dar, mit der elektrische Energie direkt in eine geradlinige Bewegung umgesetzt werden kann.

Die bekannten Linearmotor-Antriebseinheiten, welche aus einer Kombination einer wälzgelagerten Geradeführungseinheit und eines Linearmotors bestehen, sind jedoch verhältnismäßig sperrig und in ihrer Anwendung daher ziemlich beschränkt. Da der Linearmotor typischerweise mit dem Schlitten der Gerade­ führungseinheit über einen langen Arm verbunden ist, läßt auch die Starrheit der bekannten Linearmotor-Antriebs­ einheiten zu wünschen übrig.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Linearmotor-Antriebseinheit anzugeben, die kompakt im Aufbau sowie robust und starr ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Linearmotor-Antriebseinheit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Linearmotor-Antriebseinheit sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Linearmotor-Antriebseinheit enthält im wesentlichen eine Schiene, einen Schlitten oder Schieber, eine Vielzahl von rollfähigen oder Wälzlagerelementen, die zwischen der Schiene und dem Schlitten angeordnet sind, und eine Antriebsvorrichtung zum Antrieb des Schlittens bezüglich der Schiene. Die Schiene erstreckt sich über eine vorgegebene Länge und ist mit mindestens einer Führungs­ anordnung versehen, die parallel zur Längsachse der Schiene verläuft und mindestens einige der Wälzlagerelemente teil­ weise aufzunehmen vermag. Die Schiene hat vorzugsweise einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt mit einem horizontalen Bodenabschnitt und zwei vertikalen Seitenabschnitten, die von entgegengesetzten Seiten des horizontalen Boden­ abschnittes nach oben vorspringen. In der Innenseite jedes der vertikalen Seitenabschnitte der Schiene ist eine innere Führungsnut vorgesehen.

Der Schlitten enthält mindestens eine zweite Führungs­ anordnung, die bei montierter Einheit der ersten Führungs­ anordnung der Schiene gegenüberliegt und mindestens einige der Wälzlagerelemente teilweise aufzunehmen vermag. Der Schlitten ist vorzugsweise mit zwei endlosen Umlaufwegen versehen, die jeweils einen Laststreckenabschnitt, einen Rückwegabschnitt und zwei gebogene Verbindungsabschnitte, die entsprechende Enden des Laststrecken- und des Rückweg­ abschnittes verbinden, enthalten. Die Wälzlagerelemente können dann endlos in den jeweiligen endlosen Umlaufwegen umlaufen. Der Laststreckenabschnitt wird durch eine äußere Führungsnut begrenzt, die einer entsprechenden inneren Führungsnut gegenüberliegt, und der Rückwegabschnitt verläuft im wesentlichen parallel zum zugehörigen Laststrecken­ abschnitt. Durch ein Paar einander gegenüberliegender Führungsnuten, eine innere und eine äußere Führungsnut, wird daher ein Führungskanal gebildet und die sich im Führungs­ kanal befindenden Wälzlagerelemente werden teilweise von der äußeren Führungsnut aufgenommen, wobei sie ein Wälzlager oder einen rollenden Kontakt zwischen der Schiene und dem Schieber herstellen.

Die Antriebsvorrichtung enthält eine erste Einrichtung zum Erzeugen eines festen magnetischen Flusses in einer vorge­ gebenen Richtung, vorzugsweise längs der Längsachse der Schiene, und eine zweite Einrichtung, die direkt auf dem Schlitten montiert ist und einen temporären magnetischen Fluß erzeugt, der mit dem durch die erste Einrichtung erzeugten festen magnetischen Fluß wechselwirkt. Die erste Einrichtung enthält vorzugsweise mindestens einen Permanent­ magneten, der fest an der Schiene angebracht ist. Bei einer Ausführungsform wird ein länglicher Stabmagnet verwendet. Vorzugsweise ist ein Paar solcher länglicher Stabmagnete an den beiden vertikalen Seitenabschnitten der Schiene befestigt. Die zweite Einrichtung enthält vorzugsweise mindestens eine Spule, die am Schlitten befestigt ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform umfaßt die fest am Schlitten befestigte Spule den Schlitten, die Schiene und die an der Schiene befestigten Magneten in Umfangsrichtung um die Längsachse der Schiene.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, dabei werden noch weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung zur Sprache kommen. Es zeigt

Fig. 1 eine etwas vereinfachte perspektivische Darstellung einer Linearmotor-Antriebseinheit gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt in einer Ebene I-I der Fig. 1 und

Fig. 3 eine auseinandergezogene Darstellung der Linear­ motor-Antriebseinheit gemäß Fig. 1 und 2.

Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Linearmotor- Antriebseinheit enthält im wesentlichen einen Schlitten 1, eine Schiene 8, eine Mehrzahl von Kugeln 3, zwei Stabmagnete 13 und 14 sowie eine Spule 12. Es sei darauf hingewiesen, daß der Hub der dargestellten Linearmotor-Antriebseinheit im Prinzip unbegrenzt ist, d. h. daß der Schlitten 1 so weit laufen kann, wie die Schiene 8 reicht. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf Einrichtungen dieses Typs begrenzt sondern läßt sich auch auf Einrichtungen mit begrenztem Hub anwenden.

Wie aus den Fig. 1 bis 3 ersichtlich ist, ist die Schiene 8, die eine gewünschte Länge hat, gerade und hat einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt. Die Schiene 8 der dar­ gestellten Ausführungsform enthält also einen horizontalen Bodenabschnitt und zwei vertikale Seitenabschnitte, die von entgegengesetzten Seiten des horizontalen Bodenabschnittes senkrecht nach oben vorspringen. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, weist die Innenfläche jedes der beiden vertikalen Seitenabschnitte der Schiene 8 eine äußere Führungsnut 9 auf, die parallel zur Längsachse der Schiene 8 verläuft.

Wie am deutlichsten aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, enthält der Schlitten 1 im wesentlichen ein Gehäuse 2 und eine zweiteilige Umlaufanordnung 5 aus einem Paar von Umlaufwegplatten, einer oberen und einer unteren Platte. Der Querschnitt des Gehäuses 2 hat im wesentlichen die Form eines kopfstehenden U und weist dementsprechend einen horizontalen oberen Abschnitt und zwei vertikale Seiten­ abschnitte, die von entgegengesetzten Seiten des horizontalen oberen Abschnittes nach unten reichen, auf. Das Gehäuse 2 weist eine Mehrzahl von Montagelöchern auf, so daß das Gehäuse 2 und die Umlaufweganordnung 5 durch Schraubenbolzen und dergleichen miteinander verbunden werden können.

Der montierte Schlitten 1 mit am Gehäuse angebrachten Umlaufwegplatten weist zwei endlose Umlaufwege auf, die jeweils einen Laststreckenabschnitt 7, einen Rückweg­ abschnitt 4a und zwei gebogene Verbindungsabschnitte 4 enthalten, die entsprechende Enden des Laststrecken- und des Rückwegabschnittes verbinden, wie am deutlichsten aus Fig. 3 ersichtlich ist. In jedem der endlosen Umlaufwege befindet sich eine Mehrzahl von Kugeln 3, die also längs dieser Umlaufwege in beliebiger Richtung endlos umlaufen können. Der Laststreckenabschnitt 7 bildet eine innere Führungsnut, die einer entsprechenden äußeren Führungsnut 9 der Schiene 8 gegenüberliegt. Ein Paar einander gegenüber­ liegender innerer und äußerer Führungsnuten 7 und 8 bildet also einen Führungskanal, in dem die Kugeln 3 jeweils zum Teil von der inneren und der äußeren Führungsnut 7 bzw. 9 aufgenommen werden, so daß ein rollender Kontakt bzw. ein Gleitlager zwischen dem Schlitten 1 und der Schiene 8 her­ gestellt wird. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die den Laststreckenabschnitt bildende innere Führungsnut 7 jeweils in der Außenseite des betreffenden Seitenabschnittes des Gehäuses 2 gebildet und der Rest des jeweiligen endlosen Umlaufweges, d. h. der Rückwegabschnitt und die gebogenen Verbindungsabschnitte sind in der Umlaufweganordnung 5 gebildet.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist eine untere Vertiefung 5a am Boden der Umlaufweganordnung 5 gebildet und ein photoelektrischer Sensor 11, der eine Licht emittierende Einrichtung sowie eine Licht empfangende Einrichtung enthält, ist in der unteren Vertiefung 5a am Schlitten 1 angebracht.

Außerdem ist eine Skalenplatte 10 zur Feststellung der Position des Schlittens 1 bezüglich der Schiene 8 an der Oberseite 8a des unteren Abschnittes des Schiene 8 befestigt. Die Skalenplatte 10 ist langgestreckt und verläuft parallel zur Längsachse der Schiene 8. Die Skalen­ platte 10 besteht vorzugsweise aus Glas oder einem ähnlichen Material und auf ihre Oberseite ist eine dünne Schicht aus einem vorgegebenen Material, wie Chrom, durch Aufdampfen oder dergleichen aufgebracht; die Schicht ist teilweise weggeätzt, um eine Vielzahl von Schlitzen 10b (10b1-10bn) vorgegebener Form und Größe und vorgegebenem Abstand zu bilden. Die Schlitze 10b verlaufen jeweils quer zur Längs­ achse der Skalenplatte 10. Bei dieser Konstruktion bildet der mit Chrom beschichtete Teil 10c der Oberfläche einen Spiegel, der Licht reflektiert während die Schlitze 10b das Licht hindurchtreten lassen und dementsprechend praktisch nichtreflektierende Oberflächenabschnitte bilden. Die Skalenplatte 10 hat ferner eine quadratische Ausnehmung 10a, die eine Referenzposition für den Schlitten markiert.

Das von der Licht emittierenden Einrichtung des photo­ elektrischen Sensors 10 emittierte Licht fällt auf die Skalenplatte 10 und wird entweder von dem reflektierenden Oberflächenabschnitt 10c reflektiert oder von der Ausnehmung 10a und den Schlitzen 10b durchgelassen. Das reflektierte Licht wird von der Lichtempfangseinrichtung des photo­ elektrischen Sensors empfangen und in ein elektrisches Signal umgewandelt, das beispielsweise durch einen Mikro­ prozessor verarbeitet werden kann, um die Position des Schlittens 1 bezüglich der Schiene 8 längs deren Längsachse zu bestimmen. Der Schlitten 1 kann dadurch also zu jeder gewünschten Position längs der Längsachse der Schiene 8 bewegt und an jeder gewünschten Position angehalten werden.

Wie am deutlichsten aus den Fig. 1 und 3 ersichtlich ist, ist an den vertikalen Seitenabschnitten der Schiene 8 jeweils ein stabförmiger Permanentmagnet 13 bzw. 14 befestigt. Die Stabmagnete 13 und 14 sind länglich und haben Pole entgegengesetzten Vorzeichens an den jeweiligen Enden. Es sei darauf hingewiesen, daß die Stabmagnete 13 und 14 jeweils aus Abschnitten oder Teilen zusammengesetzt sein können und daß man auch andere Mittel verwenden kann, um einen festen Magnetfluß zu erzeugen, der im wesentlichen längs der Längsachse der Schiene 8 verläuft, wie er durch die beiden Stabmagnete 13 und 14, die bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendet werden, erzeugt wird. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß die Magnete 13 und 14 auch an jeder gewünschten anderen Stelle der Schiene 8 als, wie dargestellt, an den Außenseiten der vertikalen Abschnitte der Schiene 8 befestigt werden können.

An der Oberseite des Schlittens 1 ist eine mit dem Schlitten bewegliche Spule 12 befestigt. Die Spule 12 hat eine geeignete Anzahl von Windungen und ist so bemessen, daß sie den Schlitten 1, einen Teil der Schiene 8 und einen Teil der Magnete 13 und 14 in Umfangsrichtung umfaßt. Bei dem dar­ gestellten Ausführungsbeispiel hat die Spule 12 einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt, um ihre Abmessungen und die Abmessungen der Einheit als Ganzes so klein wie möglich zu halten. Die Spule 12 kann jedoch auch je nach Anwendung irgendeine andere gewünschte Form haben. Die Spule 12 kann in irgendeiner gewünschten Weise vorgesehen sein, solange mindestens ein Teil des durch die Magneten 13 und 14 erzeugten stationären magnetischen Flusses durch das Innere der Spule 12 geht. Die Spule 12 ist elektrisch mit einer nicht dargestellten Steuereinheit verbunden, die den Betrag und/oder die Richtung eines die Spule 12 durchfließenden Stromes zu steuern gestattet. Hierdurch kann die Geschwin­ digkeit und die Richtung der Bewegung des Schlittens bezüglich der Schiene 8 über den die Spule 12 durchfließen­ den Strom gesteuert werden.

Wenn beispielsweise der Strom in einer vorgegebenen ersten Richtung durch die Spule 12 fließt, wird durch die Spule 12 temporär ein Magnetfluß erzeugt, wie er durch Pfeile B und B′ angedeutet ist, und dieser temporäre Magnetfluß tritt in Wechselwirkung mit dem durch die Magnete 13 und 14 erzeugten, bezüglich der Schiene stationären Magnetfluß, der durch Pfeile A, A′ angedeutet ist. Hierdurch wird der Schlitten 1 veranlaßt, sich geradlinig in einer vorgegebenen Richtung bezüglich der Schiene 8 zu bewegen. Wenn die Richtung des die Spule 12 durchfließenden Stromes umgekehrt wird, kehrt sich die Richtung des von der Spule 12 erzeugten Stromes um, so daß der Schlitten 1 sich nun in der entgegen­ gesetzten Richtung geradlinig längs der Schiene 8 bewegt. Die Geschwindigkeit der Bewegung des Schlittens 1 wird durch den Betrag des der Spule 12 zugeführten Stromes bestimmt.

Bei einer Ausführungsform wird der Schlitten 1 gemäß einem Programm, das in einem nicht dargestellten Speicher der nicht dargestellten Steuereinheit gespeichert ist, zuerst zum einen Ende der Schiene 8 bewegt, bis die die Referenz­ position anzeigende Ausnehmung 10a wahrgenommen wird. Nachdem die Referenzposition entsprechend der Ausnehmung 10a festgestellt worden ist, wird sie im Speicher gespeichert. Der Schlitten 1 kann dann an jede gewünschte Stelle längs der Längsachse der Schiene 8 gebracht werden, indem man die Anzahl der Schlitze 10b mit dem photoelektrischen Sensor 11 feststellt. Der Schlitten 1 kann auf diese Weise in beliebiger Richtung verfahren und an jeder gewünschten Position längs der Längsachse der Schiene 8 angehalten werden.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist an jedem Ende der Schiene 8 ein Montageblock 15 vorgesehen, mit dem die Schiene 8 an einer Basis oder einer Supportplatte 16 befestigt ist. Der Montageblock 15 ist im wesentlichen C-förmig; sein oberer Abschnitt kann mit dem entsprechenden Ende der Schiene 8 verbunden werden, während der untere Abschnitt an der Basis 16 befestigt werden kann. Wenn die Schiene 8 mittels dieser Montageblöcke 15 montiert ist, ergibt sich ein Zwischenraum mit der Höhe h zwischen der Unterseite der beweglichen Spule 12 und der Oberseite der Basis 16. Die Spule 12 weist bei dem dargestellten Aus­ führungsbeispiel also bestimmte Abstände von der Basis 16 sowie von den Magneten 13 und 14 der Schiene 8 auf, während die Innenseite ihres oberen Abschnittes an der Oberseite des Schiebers 1 anliegt. Die Spule 12 und der Schieber 1 können sich also zusammen relativ zur Schiene 8 bewegen, ohne daß eine unerwünschte Reibung auftritt.

Anstelle des photoelektrischen Sensors kann zur Feststellung der Position des Schlittens 1 bezüglich der Schiene 8 auch irgendein anderer Positionssensor verwendet werden, z. B. eine magnetische Positionsermittlungseinrichtung mit einem Halleffekt-Element und einem oder mehreren Magneten oder man kann auch alternativ in bekannter Weise Gray-Code verwenden, um die Position des Schlittens 1 bezüglich der Schiene 8 digital zu ermitteln. Als Wälzlagerelemente können anstelle der Kugeln 3 auch Rollen verwendet werden. Es war ferner bereits erwähnt worden, daß die Erfindung nicht nur auf Einrichtungen mit prinzipiell unbegrenztem Hub Anwendung finden kann sondern auch auf Einrichtungen mit begrenztem Hub, die keine endlosen Umlaufwege enthalten.

Claims (12)

1. Linearmotor-Antriebseinheit mit
einer Schiene (8) vorgegebener Länge, welche eine erste Führungsanordnung (9) aufweist, die parallel zur Längsachse der Schiene verläuft;
einem Schlitten (1), der eine zweite Führungsanordnung (7) enthält, die der ersten Führungsanordnung (9) gegenüberliegt und mit dieser einen Führungskanal bildet;
einer Mehrzahl von Wälzlagerelementen (3) zumindest im Führungskanal, um einen rollenden Kontakt zwischen dem Schlitten und der Schiene herzustellen; gekennzeichnet durch
eine erste magnetische Einrichtung (13, 14) zum Erzeugen eines ersten Magnetflusses längs der Längsachse der Schiene (8) und
eine zweite Magnetische Einrichtung (12), die am Schlitten (1) befestigt ist und einen zweiten magnetischen Fluß liefert, der mit dem ersten magnetischen Fluß in Wechsel­ wirkung treten kann.

2. Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste magnetische Einrichtung mindestens einen Permanent­ magneten (13, 14) enthält.

3. Einheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet ein langgestreckter Stabmagnet (13, 14) ist, der parallel zur Längsachse der Schiene an dieser angebracht ist.

4. Einheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiene (8) im wesentlichen U-förmig ist und einen horizon­ talen Bodenabschnitt sowie zwei vertikale Seitenabschnitte, die von entgegengesetzten Seiten des horizontalen Boden­ abschnittes nach oben reichen, aufweist und daß an jedem Seitenabschnitt ein Stabmagnet (13, 14) angebracht ist.

5. Einheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabmagnete (13, 14) jeweils an den Außenseiten der Seiten­ abschnitte der Schiene (8) angebracht sind.

6. Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite magnetische Einrichtung eine Spule (12) mit einer vorgegebenen Anzahl von Windungen enthält, die am Schlitten (1) angebracht ist und zumindest den Schlitten in Umfangs­ richtung umfaßt.

7. Einheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (12) so bemessen ist, daß sie auch einen Teil der Schiene (8) mit Abstand in Umfangsrichtung umgibt.

8. Einheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste magnetische Einrichtung zwei langgestreckte Stab­ magnete (13, 14) enthält, die an der Schiene (8) angebracht sind und daß die Spule (12) auch einen Teil der Stabmagnete (13, 14) mit Abstand in Umfangsrichtung umgibt.

9. Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten mindestens einen endlosen Umlaufweg mit einem Laststreckenabschnitt, einem Rückwegabschnitt und zwei gebogenen Verbindungsabschnitten, die entsprechende Enden des Laststrecken- und des Rückwegabschnittes verbinden, enthält, und daß der Laststreckenabschnitt die zweite Führungsanordnung bildet.

10. Einheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (10, 11) zum Feststellen der Position des Schlittens (1) bezüglich der Schiene (8).

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Feststellung der Position eine erste Detektorvorrichtung (11) enthält, die am Schlitten (1) angebracht ist und eine zweite Detektorvorrichtung (10), die an der Schiene (8) angebracht ist.

12. Einheit nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vor­ richtung (15) zum Montieren der Schiene (8) mit einem vor­ gegebenen Abstand (h) über einer Basis (16).