DE4336427A1

DE4336427A1 - Linear spindle drive for converting rotary movements into a linear movement

Info

Publication number: DE4336427A1
Application number: DE19934336427
Authority: DE
Inventors: Matthias Arndt
Original assignee: CYBERTRON GmbH
Current assignee: CYBERTRON GmbH
Priority date: 1993-10-20
Filing date: 1993-10-20
Publication date: 1995-04-27

Abstract

Published without abstract.

Description

Der Spindeltrieb ist auf Grund seiner Steifigkeit und seiner hohen Positionier- und Wiederholgenauigkeit in der Automations- sowie auch in der Werkzeugmaschinentechnik nicht zu ersetzen.The spindle drive is due to its rigidity and its high Positioning and repetition accuracy in automation as well not to be replaced in machine tool technology either.

Es muß jedoch beim Auslegen von Spindeltrieben im Vorfeld die zu bewegende Masse sowie die Verfahrgeschwindigkeit bekannt sein, damit die richtige Spindelsteigung bezogen auf die Eingangsdrehzahl des Motors ausgewählt wird. Vorstufengetriebe bieten die Möglichkeit, ein schmales Geschwindigkeits- und Kraftspektrum bezogen auf die Eingangsleistung des Motors voreinzustellen. Bei höheren Schlittengeschwindigkeiten wirkt sich die hohe Drehzahl, die auf Grund der rotierenden Spindelmasse begrenzt ist, mit lauten Geräuschen aus.However, when designing spindle drives, it must be in advance moving mass and the speed of movement must be known, so that the correct spindle pitch related to the Input speed of the motor is selected. Pre-gearbox offer the possibility of a narrow speed and Power spectrum related to the input power of the engine preset. At higher sled speeds it has an effect the high speed due to the rotating spindle mass is limited to loud noises.

Das Grenzdrehzahlverhalten einer Spindel kann bis zur Zerstörung des Spindeltriebes führen. Durch die feste Steigung der Spindel muß ein gesunder Kompromiß zwischen Auflösung, Schlittenkraft und Schlittengeschwindigkeit gefunden werden. Ein Antrieb, der sich auf unterschiedliche Massen und Geschwindigkeiten mit Hilfe eines stufenlosen Getriebes, unter optimaler Ausnutzung der Leistung des Antriebsmotors, anpassen kann, ist zum gegenwärtigen Zeitpunkt der Technik nicht realisierbar. Besonders dann nicht, wenn die Eigenschaften der Spindel steif- und positioniergenau in der Auslegung des Antriebes gefordert werden. The limit speed behavior of a spindle can be destroyed of the spindle drive. Due to the fixed pitch of the spindle must be a healthy compromise between dissolution, sled power and sled speed can be found. A drive that to help with different masses and speeds a continuously variable transmission, with optimal use of the Power of the drive motor, can adjust to the current state of technology cannot be realized. Especially not if the properties of the spindle are stiff and positionally accurate in the design of the drive.

Aufgabenstellung der erfinderischen Lösung ist es, einen Antrieb zu schaffen, der möglichst steif ist; um z. B. Kräften beim Fräsen und Drehen standzuhalten, der eine hohe Position und Wiederholgenauigkeit gewährleistet, der schnell sowie auch langsam verfahren kann und bei der schnellsten sowie auch langsamsten Geschwindigkeit ruckfrei verfährt, der bei langsamen Schlittenbewegungen noch hochauflösend arbeitet, der die Motorleistung optimal auf große und kleine Massen durch Veränderung der Schlittenkraft anpaßt, der einfach und mit Standardkomponenten aufgebaut werden kann und kleine Zustellbewegungen bei hoher Eingangsdrehzahl zuläßt.The task of the inventive solution is to provide a drive create that is as stiff as possible; at z. B. Milling forces and Withstand a high position and turning Repeatability is guaranteed, which is quick as well can move slowly and at the fastest as well slowest speed moves smoothly, the slowest Carriage movements still works in high resolution, which Motor performance optimally on large and small masses Changes the slide force that adapts easily and with Standard components can be built and small Allows infeed movements at high input speed.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Figuren dargestellen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to the figures illustrated embodiments explained in more detail. Show it:

Fig. 1.1 das erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung Fig. 1.1 the first embodiment of the device according to the invention

Fig. 1.2. das zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung Fig. 1.2. the second embodiment of the device according to the invention

Fig. 1.3. das dritte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung Fig. 1.3. the third embodiment of the device according to the invention

Fig. 1.4. das vierte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung Fig. 1.4. the fourth embodiment of the device according to the invention

Fig. 1.5. graphische Darstellung eines Wendeherzgetriebes. Fig. 1.5. graphic representation of a reversing heart gear.

In der Fig. 1.1. ist die erfinderische Lösung wie folgt dargestellt:
Die Motoreinheit 1.0 ist mit dem feststehenden Teil eines nicht dargestellten Führungssystems verbunden, sie beinhaltet die Lagerung der Antriebsspindel 1.1 sowie den Antriebsmotor 1.2, der Spindel 1.3, das Kupplungselement 1.4, welches Motor und Spindel drehfest miteinander verbindet.In Fig. 1.1. the inventive solution is shown as follows:
The motor unit 1.0 is connected to the fixed part of a guide system, not shown, it includes the bearing of the drive spindle 1 . 1 and the drive motor 1.2 , the spindle 1.3 , the coupling element 1.4 , which connects the motor and the spindle in a rotationally fixed manner.

Desweiteren beinhaltet die Motoreinheit 1.0 parallel zur Spindel die Lagerung 1.5 einer verdrehgesicherten Kugelbuchsenführung, deren Welle 1.6 drehfest mit dem Kupplungsstück 1.7 und dieses mit dem Motor 1.8 verbunden ist.Furthermore, the motor unit 1.0 includes, parallel to the spindle, the bearing 1.5 of a non-rotatable ball bushing guide, the shaft 1.6 of which is non-rotatably connected to the coupling piece 1.7 and this is connected to the motor 1.8 .

Die Motoren besitzen je einen Inkrementalgeber 1.9, 1.10. Auf dem feststehenden Teil des nicht dargestellten Führungssystems sind desweiteren die als Loslager ausgeführten Gegenlager für Spindel und Kugelbuchsenführung in der Gegenlagereinheit 2.0 dargestellt. Motoreinheit und Gegenlagereinheit sind zueinander feststehend montiert.The motors each have an incremental encoder 1.9 , 1.10 . On the fixed part of the guide system, not shown, the counter bearings designed as a floating bearing for the spindle and ball bushing are also shown in the counter bearing unit 2.0 . Motor unit and counter bearing unit are fixed to each other.

Auf dem beweglichen Teil des Führungssystems ist die Schlitteneinheit 3.0 befestigt. Sie besteht aus einer Radiallagerung 3.1 der Spindelmutter 3.2 sowie aus der Radiallagerung 3.3 der auf der Welle verdrehgesicherten Kugelbuchse 3.4. Das Synchronrad 3.5 ist drehfest mit der Spindelmutter verbunden. Das Synchronrad 3.6 ist drehfest mit der Kugelbuchse verbunden. Der Zahnriemen umschlingt Synchronrad 3.5 und 3.6 und stellt damit ein festes Drehzahlverhältnis zwischen Spindelmutter und Kugelbuchse her.The carriage unit 3.0 is attached to the movable part of the guide system. It consists of a radial bearing 3.1 of the spindle nut 3.2 and of the radial bearing 3.3 of the ball bushing 3.4 secured against rotation on the shaft. The synchronizer wheel 3.5 is non-rotatably connected to the spindle nut. The synchronizer wheel 3.6 is non-rotatably connected to the ball bushing. The toothed belt wraps around synchronous wheels 3.5 and 3.6 , thus establishing a fixed speed ratio between the spindle nut and ball bushing.

Rotiert man mit Hilfe des Servomotors 1.2 die Spindel 1.3 in Pfeilrichtung Pf 1 bei gleichzeitig nicht rotierender Welle des Servomotors 1.8 bewegt sich die Schlitteneinheit 3.0 durch die Drehkopplung zwischen Kugelbuchse 3.4 und Spindelmutter 3.2 gekoppelt durch Synchronrad 3.5, 3.6 und Zahnriemen 3.7 bei einer Umdrehung der Spindel genau um den Betrag der Steigung in Richtung Pf 2. If the spindle 1.3 is rotated with the help of servo motor 1.2 in the direction of arrow Pf 1 while the shaft of servo motor 1.8 is not rotating, the carriage unit 3.0 moves through the rotary coupling between ball bushing 3.4 and spindle nut 3.2 coupled by synchronous wheel 3.5 , 3.6 and toothed belt 3.7 during one revolution of the spindle exactly by the amount of the slope in the direction of Pf 2.

Rotiert mit Hilfe des Servomotors 1.8 nun jedoch gleichzeitig die Welle 1.6 in Pfeilrichtung Pf 3 mit halber Geschwindigkeit von Motor 1.2, so wird die Spindelmutter und damit die Schlitteneinheit in Pfeilrichtung Pf 2 bewegt. Die Schlitteneinheit bewegt sich jedoch in diesem Fall nur um die Hälfte des Steigungsbetrages in Richtung Pf 2. Man kann daraus schließen, daß die Motoren bei einer Bewegung in gleichsinniger Richtung Pf 1, Pf 3 die Schlitteneinheit 3.0 nur um den resultierenden Differenzweg in Richtung Pf 2 verfährt.However, if the servomotor 1.8 now rotates the shaft 1.6 in the arrow direction Pf 3 at half the speed of the motor 1.2 , the spindle nut and thus the slide unit is moved in the arrow direction Pf 2. In this case, however, the carriage unit only moves by half the amount of the slope in the direction of Pf 2. It can be concluded that the motors move the carriage unit 3.0 only in the same direction in the direction of Pf 1, Pf 3 by the resulting differential path in the direction of Pf 2 moves.

Das Umkehren beider Motoren bei gleicher Drehzahl hat zur Folge, daß die Schlitteneinheit 3.0 entgegen der Pfeilrichtung Pf 2 um den aus der Drehzahl resultierenden Differenzweg verfährt. Das Drehen beider Motoren in Richtung Pf 1 und Pf 2 bei gleicher Drehzahl hätte den Stillstand von Schlitteneinheit 3.0 zur Folge. Eine kleine Drehzahldifferenz in Drehrichtung Pf 1 und Pf 2 verfährt die Schlitteneinheit um einen kleinen Betrag in Richtung Pf 2.The reversal of both motors at the same speed has the consequence that the carriage unit 3.0 moves in the opposite direction of the arrow Pf 2 by the difference path resulting from the speed. Rotating both motors in the direction of Pf 1 and Pf 2 at the same speed would result in the carriage unit 3.0 coming to a standstill. The carriage unit moves a small speed difference in the direction of rotation Pf 1 and Pf 2 by a small amount in the direction of Pf 2.

Rotiert der Motor 1.2 die Spindel 1.3 in Pfeilrichtung und rotiert der Motor 1.8 die Welle der verdrehgesicherten Kugelbuchsenführung 3.4 entgegen der Pfeilrichtung Pf 3, so wirken die resultierenden translatorischen Wege summierend in Richtung Pf 2, so daß sehr große Wege und damit schnelle Schlittengeschwindigkeiten erreicht werden können.If the motor 1.2 rotates the spindle 1.3 in the direction of the arrow and the motor 1.8 rotates the shaft of the non-rotating ball bushing guide 3.4 in the opposite direction of the arrow Pf 3, the resulting translational paths have a summing effect in the direction of Pf 2, so that very long distances and thus fast carriage speeds can be achieved .

Da die Drehzahlen der Motoren bei diesem System im Nenndrehzahlbereich genutzt werden, können die Motoren leistungsoptimal unterschiedliche Massen, die am Schlitten befestigt sind, schnell positionieren und bei langsamen Schlittengeschwindigkeiten ein ruckfreies Verfahren mit hoher Auflösung sicherstellen.Since the speeds of the motors in this system in the Nominal speed range can be used, the motors different masses on the sled for optimal performance fastened, position quickly and slow Carriage speeds a smooth process with high Ensure resolution.

Das Grenzdrehzahlverhalten tritt auf Grund der rotierenden Spindelmuttern erst bei höheren Schlittengeschwindigkeiten auf.The limit speed behavior occurs due to the rotating Spindle nuts only open at higher slide speeds.

In der Fig. 1.2 sitzt der Motor zur Erzeugung der Differenzdrehzahl nicht stationär auf dem festen Teil des Führungssystems, sondern auf dem beweglichen Teil des Führungssystems. Diese Variante hat den Vorteil, daß mehr als eine Schlitteneinheit unabhängig voneinander entlang der Bewegungslinie 6.0 verfahren kann z. B. 4.0, 5.0. In Fig. 1.2, the motor for generating the differential speed is not stationary on the fixed part of the guide system, but on the movable part of the guide system. This variant has the advantage that more than one carriage unit can move independently of one another along the movement line 6.0 , for. B. 4.0 , 5.0 .

In der Fig. 1.3 erfolgt zur Erstellung der Differenzdrehzahl an der Welle der verdrehgesicherten Kugelbuchse eine Kopplung zwischen Welle 1.6 und Spindel 1.3 mit Hilfe der Synchronscheiben 7.0, 7.1 und Zahnriemen 7.3. Die Geschwindigkeit der Schlitteneinheit bezogen auf eine Motorumdrehung ist abhängig von der Differenz der Verhältnisse der Zähnezahlen der Synchronradpaare 7.0, 7.1 und 3.6, 3.5. Durch unterschiedliche Kombinationen dieser Zähnezahlverhältnisse kann die Größe einer linearen Vorschubbewegung der Schlitteneinheit 3.0 bezogen auf eine Umdrehung des Antriebsmotors 1.2 über einen weiteren Bereich eingestellt werden.In Fig. 1.3, to create the differential speed on the shaft of the non-rotating ball bushing, there is a coupling between shaft 1.6 and spindle 1.3 with the aid of synchronizing disks 7.0 , 7.1 and toothed belts 7.3 . The speed of the carriage unit in relation to one motor revolution depends on the difference in the ratio of the number of teeth of the synchronous wheel pairs 7.0 , 7.1 and 3.6 , 3.5 . The size of a linear feed movement of the slide unit 3.0 relative to one revolution of the drive motor 1.2 can be adjusted over a further range by different combinations of these number of teeth ratios.

Zahnriemenlängendifferenzen auf Grund des festgelegten Achsabstandes der Synchronscheibenpaare können mit nicht dargestellten Riemenspannrädern an den Zahnriemen 7.3, 3.7 ausgeglichen werden.Differences in the length of the toothed belts due to the specified center distance of the pairs of synchronous pulleys can be compensated for with belt tensioners (not shown) on the toothed belts 7.3 , 3.7 .

In der Fig. 1.4 erfolgt die Kopplung der Welle 1.6 mit der Spindel 1.3 sowie die Kopplung von Kugelbuchse 3.4 und Spindelmutter 3.2 nicht über Synchronräder und Zahnriemen, sondern über Zahnräder. Die Vielzahl der Kombinationsmöglichkeiten zur Erstellung von Linearvorschubbewegungen bezogen auf eine Eingangsumdrehung des Motors 1.2 ist auf Zahnradpaare 8.0, 8.1 und 9.0, 9.1 mit gleichem Achsabstand begrenzt.In Fig. 1.4, the coupling of the shaft 1.6 with the spindle 1.3 and the coupling of the ball bushing 3.4 and the spindle nut 3.2 is not via synchronous wheels and toothed belts, but via gears. The multitude of possible combinations for creating linear feed movements in relation to an input revolution of motor 1.2 is limited to gear pairs 8.0 , 8.1 and 9.0 , 9.1 with the same center distance.

Zur Erstellung eines Schnellganges ist es möglich, z. B. die Zahnräder 9.0 und 9.1 nicht direkt zu koppeln, sondern z. B. über ein zusätzliches gelagertes Zahnrad zwischen den Zahnrädern 9.0 und 9.1 die Kopplung vorzunehmen. Dies hatte zur Folge, daß nicht die Differenzbewegung zum Verfahren des Schlittens führt, sondern die Summe der translatorischen Bewegungen. Die Kombination aus Riemenkopplung und Zahnradkopplung in einem Antriebssystem führt ebenfalls zu summierenden translatorischen Bewegungen des Schlittens.To create an overdrive it is possible e.g. B. not directly couple the gears 9.0 and 9.1 , but z. B. to make the coupling via an additional stored gear between the gears 9.0 and 9.1 . The result of this was that it was not the differential movement that led to the carriage moving, but the sum of the translatory movements. The combination of belt coupling and gear coupling in a drive system also leads to totaling translatory movements of the slide.

Mit Hilfe eines Wendeherzgetriebes (Drehrichtungsumkehrgetriebe) wäre ein umschaltbarer Schnell- und Schleichgang mit großer Geschwindigkeitsdifferenz möglich. Fig. 1.5.With the help of a reversing heart gear (direction of rotation reversal gear), a switchable high and low speed would be possible with a large speed difference. Fig. 1.5.

Claims

1. Device for converting rotary movements into a linear movement, characterized in that a servo motor (z. B. 1.2 / Fig. 1.1) is attached to the fixed part of a guide system, which is rotatably with a radially mounted spindle (z. B. 1.3 / Fig . 1.1) is connected, that the spindle nut (e.g. 3.2 / Fig. 1.1) screwed onto the spindle to carry out the translatory movement is rotatably mounted on the movable part of the guide system (slide), which is parallel to the motor on the fixed part of this guide system (e.g. 1.2 / Fig. 1.1), a second servo motor (e.g. 1.8 / Fig. 1.1) is attached, which is connected in a rotationally fixed manner to a radially mounted shaft (e.g. 1.6 / Fig. 1.1) the axially a non-rotating socket (e.g. 3.4 / Fig. 1.1) is pushed on and rotatably mounted on the socket on the movable part of the guide system (slide), the spindle (e.g. 1.3 / Fig. 1.1) and shaft (e.g. 1.6 / Fig. 1.1) arranged parallel to each other s ind, which on the rotatably mounted spindle nut (z. B. 3.2 / Fig. 1.1) a synchronous wheel (z. B. 3.5 / Fig. 1.1) is rotatably attached to the spindle nut, which on the rotatably mounted bushing (z. B. 3.4 / Fig. 1.1) a synchronous wheel (z. 3.6 / Fig. 1.1) is rotatably attached to the socket (e.g. 3.4 / Fig. 1.1) that the synchronizing wheel (e.g. 3.5 / Fig. 1.1) of the spindle nut (e.g. 3.2 / Fig z. 1.1) with the Synchronrad (. B. 3.6 / Fig. 1.1) of the socket (z. B. 3.4 / Fig. 1.1) z by a toothed belt (. B. 3.7 / Fig. slung 1.1), which both the Synchronizing gears are in a certain speed ratio to each other by selecting the same or different number of teeth, which can slide the bushing (e.g. 3.4 / Fig. 1.1) but secured against rotation on the shaft (e.g. 1.6 / Fig. 1.1), which the The speed and direction of rotation of the spindle and shaft can be adjusted to create different slide speeds and slide forces. (e.g. Fig. 1.1 / Fig. 1.1).

2. Device according to claim 1, characterized in that the speeds of both Servomotors in a certain ratio, at one certain translatory slide movement stand to each other have to.

3. Device according to one or more of claims 1 to 2, characterized in that a regulated speed stepless control of both motors with a higher-level control is adjustable.

4. The device according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the speeds of both Motors with different final speeds increasing proportionally and accept regulated with a higher-level control can.

5. The device according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the direction of rotation of both Motors with a higher-level control can be freely selected.

6. The device according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that the servo motor (z. B. 1.8 / Fig. 1.2) for generating the spindle nut rotation is not attached to the fixed part of the guide system, but on the movable part of the Guide system with moves, and drives the synchronizer wheel (e.g. 3.6 / Fig. 1.1), which was driven via the non-rotating socket, directly (e.g. Fig. 1.2).

7. The device according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that the speed ratio to be formed between the spindle (z. B. 1.3 / Fig. 1.3) and shaft (z. B. 1.6 / Fig. 1.3) to determine a translatory slide movement is formed from the speed of a servo motor (e.g. 1.2 / Fig. 1.3) which is non-rotatably coupled to the spindle (e.g. 1.3 / Fig. 1.3), which is used to form the speed of the shaft (e.g. 1.6 / Fig. 1.3) a synchronous wheel (e.g. 7.1 / Fig. 1.3) is rotatably connected to the mounted spindle, which a further synchronous wheel (e.g. 7.1 / Fig. 1.3) with the shaft (e.g. 1.6 / Fig. 1.3) is rotatably connected, that the two synchronous wheels (e.g. 7.0 / Fig. 1.3 and 7.1 / Fig. 1.3) are wrapped with a toothed belt and thus a fixed speed ratio between the spindle (e.g. 1.3 / Fig. 1.3) and shaft (e.g. 1.6 / Fig. 1.3) that the number of teeth ratio between the synchronizer wheels (e.g. 7.0 / Fig. 1.3 and 7.1 / Fig. 1.3) di e on spindle (e.g. 1.3 / Fig. 1.3) and shaft (e.g. 1.6 / Fig. 1.3) are non-rotatably connected and coupled via a toothed belt (e.g. 7.3 / Fig. 1.3) and the synchronous wheels (e.g. 3.5 / Fig. 1.3) and (e.g. 3.6 / Fig. 1.3) which is non-rotatably connected to the spindle nut and the socket, is different, that the wrapped gear pairs (e.g. 7.0 / Fig. 1.3, 7.1 / Fig. 1.3 and e.g. 3.5 / Fig. 1.3, 3.6 / Fig. 1.3) can be tensioned with a tension pulley to compensate for the belt length, which the two synchronizer disc pairs (e.g. 7.0 / Fig. 1.3, 7.1 / Fig. 1.3 and 3.5 / Fig. 1.3, 3.6 / Fig. 1.3) perform a double coupling with their drive-connecting toothed belts (e.g. 7.3 / Fig. 1.3 and 3.7 / Fig. 1.3) (e.g. Fig. 1.3).

8. The device according to one or more of claims 1 to 7, characterized in that the coupling between the shaft (z. B. 1.6 / Fig. 1.4) and spindle (z. B. 1.3 / Fig. 1.4) and between the socket (z . 3.4 / Fig. 1.4) and spindle nut (e.g. 3.2 / Fig. 1.4) by meshing gear pairs (e.g. 8.0 , 8.1 and 9.0 , 9.1 / Fig. 1.4) with the same center distance (e.g. B. Fig. 1.4).

9. The device according to claim 8, characterized in that the rotary coupling between the shaft (z. B. 1.6 / Fig. 1.4) and spindle (z. B. 1.3 / Fig. 1.4) or between the socket (z. B. 3.4 / Fig . 1.4) and spindle nut (e.g. 3.2 / Fig. 1.4) with a pair of gears (e.g. 9.0 , 9.1 / Fig. 1.5) that does not mesh with each other, the coupling via another gear (e.g. 10.0 / Fig. 1.5) or a gear combination can be coupled (e.g. 11.0 , 12.0 / Fig. 1.5), so that the same or opposite directions of rotation of the gears on z. B. shaft and spindle or bushing and spindle nut are adjustable. As a result, a slow speed and an overdrive speed with a large speed difference can be set (e.g. Fig. 1.5).

10. The device according to one or more of claims 1 to 9, characterized in that a plurality of carriage units (z. B. 5.0 , 4.0 / Fig. 1.2) independently of one another with different sled speeds and directions of sled along the line of motion (z. B. 6.0 / Fig . 1.2) can move (e.g. Fig. 1.2).

11. The device according to one or more of claims 1 to 10, characterized in that the coupling between Spindle and shaft or between spindle nut and bush in the Drive system made of timing belts and their drive connected synchronous wheels or intermeshing Gears can exist.