DE4412403A1 - Elektrische Verstellvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Verstellvor­ richtung, die beispielsweise in einem Arm eines Industriero­ boters verwendet wird, um eine einachsige Bewegung auszufüh­ ren.

Eine bekannte derartige Verstellvorrichtung wird in der JP-A-62-165057 beschrieben. Es weist eine Verbundwelle mit einer Schraubennut und einer Keilnut, die zusammen in der Umfangsfläche der Welle ausgebildet sind, eine um die Welle und auf in der Schraubennut drehbar angeordneten Kugeln an­ gepaßte Kugelschraubenmutter und eine um die Welle und auf in der Keilnut drehbar angeordneten Kugeln angepaßte Kugelkeilnutmutter auf.

Die Kugelschrauben- und die Kugelkeilnutmutter sind in einem Gehäuse durch Kugellager drehbar angeordnet und können unabhängig voneinander durch verschiedene Motoren gedreht werden. Durch die Kombination der Drehbewegung der Kugel­ schraubenmutter mit der Drehbewegung der Kugelkeilnutmutter kann die Verbundwelle eine hin- und hergehende Bewegung oder eine Drehbewegung oder eine durch die Kombination aus der hin- und hergehenden mit der Drehbewegung gebildete spi­ ralförmige Bewegung ausführen. Wenn beispielsweise die Kugelschraubenmutter gedreht wird, während die Kugelkeilnut­ mutter nicht gedreht wird, führt die Verbundwelle eine hin- und hergehende Bewegung in eine Richtung aus, die von der Richtung abhängt, in die die Kugelschraubenmutter gedreht wird. Wenn die Kugelkeilnutmutter gedreht wird, während die Kugelschraubenmutter nicht gedreht wird, führt die Welle eine spiralförmige Bewegung aus, wobei sie in die Richtung gedreht wird, in die die Kugelkeilnutmutter gedreht wird.

Wenn die Verbundwelle eine hin- und hergehende Bewegung ausführt, muß die Welle durch die Selbsthaltekraft des Mo­ tors zum Antrieb der Kugelkeilnutmutter gegen eine Drehbewe­ gung gehalten werden. Es hat sich gezeigt, daß durch diese Anordnung die Genauigkeit verringert wird, mit der die Welle in die Richtung ihrer Drehbewegung positioniert werden kann.

Weil die Antriebskraft jedes Motors über ein Steuerband und Riemenscheiben auf die Kugelkeilnut- oder die Kugel­ schraubenmutter übertragen wird, wird das Band durch dessen wiederholte Verwendung gedehnt und die Anpassung zwischen dem Band und den Riemenscheiben gelockert. Dadurch wird die Genauigkeit, mit der die Welle axial bewegt wird, mit der Zeit geringer.

Weil die radiale Steifigkeit der Verbundwelle aus­ schließlich von der Steifigkeit der die Kugelkeilnut- und die Kugelschraubenmutter drehbar haltenden Kugellager ab­ hängt, kann die radiale Steifigkeit der Welle so gering sein, daß sie durch eine radiale Belastung leicht zu einer exzentrischen Position verschoben werden kann. Das Spiel, das zwischen den Kugel lagern und der Kugelkeilnutmutter ent­ stehen kann, ist ebenfalls für die Verschiebung der Welle zu einer exzentrischen Position verantwortlich.

Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine kompakte elek­ trische Verstellvorrichtung mit einer Verbundwelle mit einer hohen Steifigkeit bereitzustellen, die mit hoher Genauigkeit positioniert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprü­ che gelöst.

Das durch den Motor auf die Motorwelle ausgeübte Dreh­ moment wird durch die mit der Motorwelle verbundene Kugel­ mutter in eine axiale Vorschubbewegung umgewandelt, wobei die Verbundwelle durch die Vorschubbewegung dazu veranlaßt wird, eine geradlinige Bewegung auszuführen.

Die Kugelkeilnutmutter hält die Verbundwelle gegen eine Drehbewegung und nimmt eine auf die Verbundwelle wirkende radiale Belastung auf. Weil die Kugelkeilnutmutter am Motor­ gehäuse befestigt ist, kann sie einem auf die Verbundwelle wirkenden großen Drehmoment standhalten und die Welle gegen eine Drehbewegung halten, um dadurch eine verbesserte Genau­ igkeit zu gewährleisten, mit der die Welle in Richtung ihrer Drehbewegung positioniert wird.

Die Kugelschraubenmutter treibt die Verbundwelle auf­ grund ihrer eigenen Drehbewegung in axialer Richtung an und nimmt eine auf die Verbundwelle wirkende axiale Belastung auf, um deren axiale Positionierung zu gewährleisten. Weil die Kugelschraubenmutter mit einem Ende der Motorwelle di­ rekt verbunden ist, wird die Genauigkeit der Drehbewegung des Motors direkt auf die Genauigkeit der Drehbewegung der Kugelschraubenmutter übertragen, wodurch die Genauigkeit, mit der die Verbundwelle axial bewegt wird, verbessert wird. Die verbesserte Genauigkeit der axialen Bewegung der Verbundwelle wird durch die gleichmäßige Drehbewegung der Motorwelle vergrößert, weil die Verbundwelle sich durch die Motorwelle, die Kugelschraubenmutter und die Kugelkeilnut­ mutter und koaxial dazu erstreckt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet die Kugelschraubenmutter einen integrierten Abschnitt der Motorwelle, so daß die Längsachse der Kugelschraubenmut­ ter mit derjenigen der Motorwelle exakt übereinstimmen kann. Durch diese Anordnung kann eine weitere Verbesserung der Genauigkeit der Drehbewegung der Kugelschraubenmutter und damit der Genauigkeit der axialen Bewegung der Verbundwelle erreicht werden.

Weil die Verbundwelle sich durch die Motorwelle er­ streckt, kann die durch die Motorwärme verursachte axiale Dehnung der Verbundwelle einen negativen Einfluß auf die Ge­ nauigkeit der axialen Bewegung einer an der Verbundwelle vorgesehenen Befestigung für einen beweglichen Körper für Montagezwecke, wie beispielsweise ein Werkzeug, ausüben.

Erfindungsgemäß sind die Kugelkeilnutmutter, die Kugel­ schraubenmutter und der Motor von der Befestigung für einen beweglichen Körper aus betrachtet in der erwähnten Reihen­ folge angeordnet, weshalb die Kugelmutter, die ein Bezugsmaß für die axiale Positionierung der Verbundwelle definiert, zwischen der Befestigung und dem Motor angeordnet ist. Eines der Lager, durch die die Motorwelle drehbar gehalten wird, dient als Normlager zum Bestimmen der axialen Position der Motorwelle und ist näher zur Kugelschraubenmutter hin ange­ ordnet als der Motor.

Daher ist es unwahrscheinlich, daß die durch die Motor­ wärme verursachte axiale Dehnung der Motorwelle und der Ver­ bundwelle einen negativen Einfluß auf die Genauigkeit der axialen Bewegung der Befestigung für einen beweglichen Kör­ per haben können.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittansicht einer Ausfüh­ rungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Verstellvorrichtung in Längsrichtung;

Fig. 2 zeigt eine um eine Verbundwelle angepaßte Ku­ gelkeilnutmutter, wobei (a) eine Vorderansicht der Mutter teilweise im Querschnitt, (b) eine Draufsicht eines Kugelum­ laufwegs und (c) eine Seitenansicht der Mutter teilweise im Querschnitt darstellen;

Fig. 3 zeigt eine schraubenförmig um die Verbundwelle angepaßte Kugelschraubenmutter, wobei (a) eine Querschnittansicht der Mutter in Längsrichtung und (b) eine Seitenansicht davon im Aufriß darstellen; und

Fig. 4 zeigt eine Querschnittansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Ver­ stellvorrichtung in Längsrichtung.

Nachstehend wird die erfindungsgemäße elektrische Ver­ stellvorrichtung unter Bezug auf die beigefügten Abbildung ausführlich beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsge­ mäßen elektrischen Verstellvorrichtung. Die elektrische Ver­ stellvorrichtung 1 weist eine Verbundwelle 4 mit einer spi­ ralförmigen Kugelschraubennut 2 und einer sich axial er­ streckenden Kugelkeilnut 3 auf, die im Außenumfang der Welle ausgebildet sind. Eine Kugelkeilnutmutter 5, eine Kugel­ schraubenmutter 6 und ein Hohlmotor 7 sind um die Verbund­ welle 4 und koaxial dazu angepaßt. Die Kugelkeilnutmutter 5, die Kugelschraubenmutter 6 und der Motor 7 sind von dem Ende der Verbundwelle 4 aus betrachtet, an dem auf die Welle eine Belastung wirkt, in der genannten Reihenfolge angeordnet.

Die Verbundwelle 4 weist eine axiale Öffnung 8, durch die ihr Gewicht verringert wird, sowie an ihrem einen Ende eine Befestigung 9 für einen beweglichen Körper, wie beispielsweise einen Finger für Montagezwecke auf. Die Befe­ stigung 9 ist an dem Ende der Verbundwelle 4 angeordnet, an dem eine Belastung auf die Welle wirkt. Die Öffnung 8 kann als Durchlaß zum Aufnehmen elektrischer Kabel für einen be­ weglichen Körper, wie beispielsweise eines Fingers, oder hydraulischer oder pneumatischer Rohrleitungen verwendet werden. Das andere Ende der Verbundwelle 4 wird normaler­ weise durch eine Schutzkappe 10 geschlossen.

Gemäß Fig. 2 ist die Kugelkeilnutmutter 5 zylinderför­ mig und weist eine in ihrer Innenumfangsfläche entlang der Kugelkeilnut 3 der Verbundwelle 4 ausgebildete Kugelrollnut 51 auf. Mehrere kraftaufnehmende Kugeln B1 werden zwischen der Kugelkeilnut 3 und der Kugelrollnut 51 rollbar gehalten. Die Kugelkeilnutmutter 5 weist entlang ihres Innenumfangs einen Halter 52 auf. Der Halter 52 weist mehrere Kugelum­ laufwege 53 auf, so daß die Kugeln B1, die sich in einem be­ lasteten Bereich bewegten sich in einen zwischen dem Außen­ umfang des Halters 52 und dem Innenumfang der Kugelkeilnut­ mutter 5 definierten unbelasteten Bereich bewegen können.

Die Kugeln B1 werden vorgespannt. Sie können beispiels­ weise vorgespannt werden, indem die Kugelkeilnut 3 und die Kugelrollnut 51 derart ausgebildet werden, daß deren Um­ fangsphasen voneinander verschieden sind. Durch die vorge­ spannten Kugeln kann die Verbundwelle 4 nicht nur in der ra­ dialen Richtung, sondern auch in der Drehrichtung gegen eine Verschiebung aus der vorgesehenen Position relativ zur Kugelkeilnutmutter 5 gehalten werden.

Wie in Fig. 3 dargestellt, weist die Kugelschrauben­ mutter 6 einen Hauptkörper 62 und ein Paar jeweils an den entgegengesetzten Enden des Hauptkörpers 62 befestigter End­ kappen 63 auf. Der Hauptkörper 62 ist im wesentlichen zylin­ derförmig und weist eine in dessen Innenumfangsfläche ent­ lang der in der Außenumfangsfläche der Verbundwelle 4 ausge­ bildeten Kugelschraubennut 2 ausgebildete Kugelschraubennut 61 auf. Der Hauptkörper 62 weist eine Kugelausdring- bzw. -aufnahmeöffnung 64 für zwischen der Verbundwelle 4 und der Mutter 6 angeordnete umlaufende Kugeln B2 auf, während jede Endkappe 63 einen Richtungsänderungsweg 65 aufweist, durch den die sich entlang der Kugelschraubennut der Verbundwelle 4 bewegenden Kugeln B2 in die Kugelausdring- bzw. -auf­ nahmeöffnung 64 entweichen können. Die entgegengesetzten En­ den der Kugelschraubennut 61 sind durch die Kugelausdring­ bzw. -aufnahmeöffnung 64 und die Richtungsänderungswege 65 verbunden, um einen endlosen Umlaufweg für die Kugeln B2 zu definieren.

Die zwischen der Verbundwelle 4 und der Kugelschrauben­ mutter 6 umlaufenden Kugeln B2 werden vorgespannt, indem die Kugelschraubennuten 2 und 61 derart ausgebildet werden, daß ihre Steigungen sich voneinander unterscheiden. Durch die vorgespannten Kugeln kann die Verbundwelle 4 nicht nur in der radialen Richtung, sondern auch in der Drehrichtung ge­ gen eine Verschiebung aus der vorgesehenen Position relativ zur Kugelschraubenmutter 6 gehalten werden. Die Kugeln kön­ nen alternativ vorgespannt werden, indem eine Unterleg­ scheibe oder eine Feder zwischen einem Paar von Muttern an­ geordnet wird, die jeweils eine Kugelschraubennut aufweisen.

Der Hohlmotor 7 weist eine Motor-Hohlwelle 72, durch die sich die Verbundwelle 4 erstreckt, sowie ein Motorge­ häuse 11 auf, in dem die Motorwelle 72 drehbar gehalten wird. Die Motorwelle 72 trägt einen an ihrem Umfang befe­ stigten Rotor bzw. Anker 71 und das Motorgehäuse 11 weist einen Ständer bzw. Stator 74 auf, der dem Rotor 71 in einem geeigneten Abstand gegenüberliegt.

Die Motorwelle 72 wird durch ein erstes Lager 12 und ein zweites Lager 13 im Motorgehäuse 11 drehbar gehalten.

Das erste und das zweite Lager 12 bzw. 13 halten die Motorwelle 72 an den an den entgegengesetzten Seiten des An­ kers 71 ausgebildeten Achszapfen. Das erste Lager 12 ist nahe an der Kugelschraubenmutter 6 angeordnet und ist ein doppelreihiges Schrägkugellager, während das zweite Lager ein einreihiges Kugellager ist.

Das erste Lager 12 weist einen Außenlaufring, der durch einen im Motorgehäuse 11 an einem Ende davon in Eingriff stehenden ersten Haltering 121 am Motorgehäuse 11 befestigt ist, und einen Innenlaufring auf, der durch einen um die Mo­ torwelle in Eingriff stehenden zweiten Haltering 122 an der Motorwelle 72 befestigt ist. Das zweite Lager 13 ist in ei­ ner die Öffnung des Motorgehäuses 11 verschließenden Ab­ deckung 111 eingepaßt und wird durch eine Feder 131 axial zurückgehalten. Das Motorgehäuse 11 weist eine Befestigungs­ schelle 112 auf.

Die Kugelkeilnutmutter 5 ist in ein Keilnutgehäuse 14 eingepaßt und weist einen durch Bolzen an einem Ende des Keilnutgehäuses 14 befestigten Flansch 54 auf. Das Keilnut­ gehäuse 14 weist an seinem anderen Ende einen Flansch 15 und das Motorgehäuse einen mit dem Flansch 15 in Kontakt stehen­ den Flansch 16 auf. Die Flansche 15 und 16 sind durch Bolzen 17 miteinander verbunden. Das Keilnutgehäuse 14 weist einen Abschnitt 141 mit kleinem Durchmesser, in dem die Kugelkeil­ nutmutter 5 angeordnet ist, und einen die Kugelschraubenmut­ ter 6 umgebenden und im Flansch 15 endenden Abschnitt 142 mit großem Durchmesser auf.

Die Kugelschraubenmutter 6 ist durch einen Kupplungs­ ring 18 mit einem Ende der Motorwelle 72 fest verbunden, so daß die Drehbewegung der Motorwelle 72 direkt auf die Kugel­ schraubenmutter 6 übertragen werden kann.

Wenn der Motor 7 gestartet wird, dreht sich die Motor­ welle 72 und ihre Drehbewegung wird auf die Kugelschrauben­ mutter 6 übertragen und dadurch in eine Vorschubbewegung zum Antreiben der Verbundwelle 4 in axialer Richtung umgewan­ delt. Die Rückstoßkraft der Vorschubbewegung wird durch das erste Lager 12 aufgenommen, wobei die Verbundwelle 4 eine axiale geradlinige Bewegung ausführt. Daher wird durch die Kugelschraubenmutter 6 und das erste Lager 12 ein Bezugsmaß zum Positionieren der Verbundwelle 4 gebildet.

Eine auf den Stator 74 gewickelte Wicklung 73 erzeugt während des Betriebs des Motors 7 Wärme, die über den Anker 71 und die Motorwelle 72 zur Verbundwelle 4 übertragen wird, wodurch deren vom Stator 74 umgebener Abschnitt durch die Wärmeausdehnung gedehnt wird. Durch die Dehnung der Verbund­ welle 4 wird jedoch keine wesentliche Wirkung auf die Genau­ igkeit der axialen Bewegung der Befestigung 9 für einen be­ weglichen Körper ausgeübt, weil die Dehnung an der von der Befestigung 9 aus betrachtet entgegengesetzten Seite der Ku­ gelschraubenmutter 6 und des ersten Lagers 12 auftritt, die ein Bezugsmaß zum Positionieren der Verbundwelle 4 bilden, weil die Kugelschraubenmutter 6 und das erste Lager 12 näher an der Befestigung 9 angeordnet sind als der Stator 74.

Das erste Lager 12 ist zwischen der Kugelschraubenmut­ ter 6 und dem Stator 74 angeordnet und die Kugelschrauben­ mutter 6 ist vom Stator 74 ausreichend weit beabstandet, um jegliche unerwünschte Wirkung dieser Erwärmung zu minimie­ ren. Der sich zwischen der Kugelschraubenmutter 6 und dem ersten Lager 12 erstreckende Abschnitt der Motorwelle 72 ist ebenfalls vom Stator 74 ausreichend weit beabstandet, so daß er durch die Wärme des Stators 74 und durch eine Längenände­ rung nicht unerwünscht beeinflußt wird.

Die auf die Verbundwelle 4 wirkende axiale Belastung wird durch die Kugelschraubenmutter 6 und das auf die Verbundwelle 4 wirkende Drehmoment durch die Kugelkeilnut­ mutter 5 aufgenommen. Die auf die Verbundwelle 4 wirkende radiale Kraft und die Kraftmomente werden beide durch die Kugelkeilnut- und die Kugelschraubenmuttern 5 und 6 auf ge­ nommen. Daher kann ein Finger oder ein anderer an der Befe­ stigung 9 angeordneter beweglicher Körper, obwohl nicht dar­ gestellt, in jede der Richtungen der X-, Y- und Z-Achse und in die Drehrichtungen Mx, My- und Mz um diese Achsen exakt positioniert werden. Die Position des beweglichen Körpers in die Richtung der X-, Y- oder Z-Achse bezieht sich auf dessen Koordinatenposition in einem dreidimensionalen Raum, während sich dessen Positionierung in die Drehrichtung Mx, My oder Mz auf dessen Lage bei einer bestimmten Koordinatenposition bezieht.

Die Kugelkeilnutmutter 5 ist am Keilnutgehäuse 14 di­ rekt befestigt, um die Verbundwelle 4 gegen eine Drehbewe­ gung zu halten, indem die Keilnutmutter jede auf die Welle wirkende radiale Belastung aufnimmt, so daß zwischen der Welle und der Keilnutmutter in Richtung der Drehbewegung oder in radialer Richtung kein Spiel vorhanden ist.

Durch das direkte Befestigen der Kugelkeilnutmutter 5 am Keilnutgehäuse 14 kann die Vorrichtung mit einer hohen Drehsteifigkeit kompakt aufgebaut werden. Weil die Kugel­ schraubenmutter 6 am Ende der Motor-Hohlwelle 72 befestigt ist, können der Durchmesser aller sich drehenden Teile der Vorrichtung verringert und alle Trägheitsmomente minimiert werden, so daß die Vorrichtung auf jede Anweisung zum Anhal­ ten des Motors schnell reagieren kann.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfin­ dung. Diese Vorrichtung wird erhalten, wenn die Kugelschrau­ benmutter in der vorstehend beschriebenen Vorrichtung so ausgebildet wird, daß sie einen integrierten Teil der Motor- Hohlwelle bildet. Die Motorwelle 72 weist eine Verlängerung 75 mit einer in dessen Innenumfangsfläche ausgebildeten Ku­ gelschraubennut 61′ auf, wobei Kugeln B2 zwischen der Kugel­ schraubennut 2 der Verbundwelle 4 und der Kugelschraubennut 61′ rollbar gehalten werden. Bezüglich der anderen Einzel­ heiten ist diese Vorrichtung mit der vorstehend beschriebe­ nen Vorrichtung identisch, weshalb die Beschreibung nicht wiederholt wird, und in allen Abbildungen werden ähnliche Bezugszeichen zum Bezeichnen ähnlicher Teile verwendet.

Claims (2)

1. Elektrische Verstellvorrichtung mit:
einer Verbundwelle mit einer spiralförmigen Kugel­ schraubennut und einer sich axial erstreckenden Kugel­ keilnut, die in der Außenumfangsfläche der Welle ausge­ bildet sind, und mit einer an einem Ende davon angeord­ neten Befestigung für einen beweglichen Körper;
einem Hohlmotor mit einer Motor-Hohlwelle, durch die sich die Verbundwelle erstreckt, einem Motorge­ häuse, in dem die Motorwelle durch mehrere Lager dreh­ bar gehalten wird, einem an der Außenumfangsfläche der Motorwelle angeordneten Anker und einem im Motorgehäuse angeordneten und den Anker umgebenden Stator;
einer mit einem Ende der Motorwelle verbundenen Kugelschraubenmutter, die schraubenförmig um die Verbundwelle und auf mehreren Kugeln angepaßt ist, die entlang der Kugelschraubennut rollen können; und
einer am Motorgehäuse befestigten Kugelkeilnutmut­ ter, die um die Verbundwelle und auf mehreren Kugeln angepaßt ist, die entlang der Kugelkeilnut rollen kön­ nen;
wobei die Kugelkeilnutmutter, die Kugelschrauben­ mutter und der Motor von der Befestigung aus betrachtet in der genannten Reihenfolge angeordnet sind; und
die um die Motorwelle angepaßten Lager ein Normla­ ger umfassen, das näher zur Kugelschraubenmutter angeordnet ist als der Motor und das ein Bezugsmaß für die axiale Position der Motorwelle bildet.

2. Elektrische Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Kugelschraubenmutter einen integrierten Teil der Motorwelle bildet.