DE60010909T2 - Eine Linear- und Drehantriebsvorrichtung zum Mischen und Pressen in Formmaschinen - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Linear- und Drehantriebsvorrichtung, insbesondere zum Einsatz in Spritzgießmaschinen.
• Für viele Anwendungen benötigt man Antriebe mit zwei Freiheitsgraden, insbesondere mit einem Linear- und einem Drehantrieb an demselben Gerät.
• Insbesondere benötigen Spritzgießmaschinen eine Einspritzvorrichtung, die aus einer langen Schnecke mit großer Ganghöhe, ähnlich einer archimedischen Schraube, besteht, die sich innerhalb eines eng anliegenden zylindrischen Mantelrohrs sowohl drehen als auch verschieben kann.
• Das Einspritzverfahren besteht darin, dass zuerst die Schnecke gedreht wird, während zugleich festes Material in Form von Pellets durch eine Öffnung nahe der Basis der Schnecke geladen wird. Die Drehung der Schnecke presst die Pellets vorwärts, und schmilzt sie zugleich durch die Reibung mit der Oberfläche des Zylinders, der geheizt oder nicht geheizt sein kann. Wenn das Einspritzmaterial gründlich plastifiziert ist, wird die Schnecke innerhalb des Zylinders vorwärts geschoben und wirkt also als Kolben, so dass das geschmolzene Material durch eine Öffnung an der Spitze des Zylinders in das Formwerkzeug ausgestoßen wird.
• Bei aus dem Stand der Technik bekannten Geräten wird die Drehung der Schnecke mit einem Hydraulikmotor oder einem Elektromotor mit Getriebeuntersetzung erzeugt, während die lineare Bewegung durch einen hydraulischen Kolben erzeugt wird.
• Zum Beispiel offenbart die US-A-5 714 176 eine Kunststoffspritzgießmaschine, die einen Servomotor und eine Kolben-Zylinder-Einheit umfasst, die durch eine Hydraulikpumpe bewegt wird.
• JP 06 023812 , JP 04 113821 und EP-A-0 723 848 offenbaren zweimotorige Linearantriebe, bei denen eine Kugelgewindespindel mit einer einzigen Richtung und einer einzigen vollbelasteten Mutter mit einem Keil versehen ist, und bei denen die zwei Motoren das Schmelzen/Mischen und das Einspritzen getrennt voneinander ausführen. Jeder von ihnen muss für die volle Belastung des jeweiligen unabhängigen Prozesses ausgelegt sein und es wird keinerlei Anregung gegeben, die Bewegungen der beiden Antriebe zu kombinieren. Weitere Beispiele von Spritzgießmaschinen nach dem Stand der Technik sind in US-A-3 810 728, US-A-5 935 494 und US-A-6 068 810 offenbart.
• Beide Arbeitsvorgänge, das heißt die Plastifizierung durch eine Drehung der Schnecke und das Einspritzen durch eine lineare Bewegung der Schnecke, benötigen üblicherweise eine beträchtliche Leistung und sind in der Tat die wesentlichsten Leistungsverbraucher bei Spritzgießmaschinen. Die Leistung, die für die beiden Arbeitsvorgänge benötigt wird, ist im Allgemeinen ähnlich groß und in den meisten Zyklen überschneiden sich die beiden Aktionen nicht. In den letzten Jahren hat sich ein Trend hin zum Konzept von vollelektronischen Spritzgießmaschinen entwickelt, das heißt, zu direktem Antrieb der Einspritzschnecke durch Elektroantriebe anstelle von hydraulischen oder elektro-hydraulischen Antrieben. Von einer solchen Maschine erwartet man, dass sie mit höherer Effizienz arbeitet, frei von Verunreinigungen ist und in der Lage ist, saubere Teile zu pressen, ohne sie mit Hydraulikflüssigkeit zu verschmieren, und dass sie genauer und kontrollierbarer ist und dadurch komplexere und schwierigere Gussformen ermöglicht.
• Die bekannten Einspritzvorrichtungen, die einen einzigen Elektromotor benutzen, sind jedoch im Allgemeinen nicht zufriedenstellend, weil die lineare Kraft, die zum Einspritzen benötigt wird, sehr groß ist und im Allgemeinen die Belastbarkeit von normalen Kugelgewindespindeln überschreitet, und weil die elektrische Leistung, die gesteuert werden muss, sowohl für die Plastifizierung als auch für das Einspritzen groß ist und daher zwei große und teure Wechselrichter erfordert.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Dreh-/Linearantrieb für Einspritzmaschinen zu verwirklichen, der die oben erläuterten Nachteile des bekannten Stands der Technik überwindet.
• Diese Aufgabe wird durch einen Dreh-/Linearantrieb wie in Anspruch 1 beansprucht gelöst.
• Der Antrieb nach der Erfindung ist ein integrierter Dreh-/Linearantrieb, der sowohl eine Drehbewegung als auch eine Schubbewegung ausführen kann, indem er die Leistung zweier Elektromotoren zusammennimmt und Wechselrichter verwendet, die jeweils nur auf die Hälfte der Gesamtleistung, die für jede Phase unabhängig voneinander benötigt wird, ausgelegt sind. Genauer gesagt bietet der Antrieb zwei Freiheitsgrade, die durch die unabhängige Steuerung zweier gleicher drehender Motoren, die jeweils eine Gewindemutter einer einzigen Gewindespindel treiben, erhalten werden, wobei die zwei Gewindemuttern an Abschnitten der Gewindespindel angreifen, die entgegengesetzte Gewinderichtungen aufweisen, und wobei die Gewindemuttern zwar frei drehbar, aber axial fixiert sind.
• Der Antrieb der vorliegenden Erfindung stellt eine einzige Gewindespindel bereit, die mit zwei Dreheinheiten betrieben wird, von denen jede die Hälfte des insgesamt benötigten Schubs trägt, und dadurch für einen gegebenen Schub den Einsatz einer Gewindespindel kleinerer Größe erlaubt.
• Die Erfindung wird nun mit Bezug auf das beigefügte Zeichnungsblatt offenbart, bei dem 1 einen Querschnitt eines Dreh-/Linearantriebes ge mäß einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
• Mit Bezug auf 1 umfasst ein Antrieb gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein langgestrecktes Gehäuse 10, in dem eine Gewindespindel 1 untergebracht ist, welche mit zwei longitudinal beabstandeten Gewindeabschnitten 1A, 1B versehen ist, von denen jedes mit einem von zwei axial voneinander beabstandeten Gewindemuttern oder Gewindemutterelementen 3, 2 in Eingriff steht und von diesem gestützt wird, welche Gewindemutterelemente ihrerseits im Inneren der Rotoren von zwei axial voneinander beabstandeten ringförmigen Motoren 4, 5 mit gleichem Nominal- oder Nenn-Drehmoment befestigt sind.
• Alle oben genannten Komponenten, nämlich die (Gewinde-) Spindel 1, die Muttern und die Rotoren sind koaxial mit dem Gehäuse angeordnet, während die als Ringe ausgebildeten Elektromotoren 4, 5 auf den Muttern der besagten Gewindespindel befestigt sind, und an denselben Lagern der Muttern angreifen, so dass keine andere mechanische Übertragung notwendig ist.
• Die Motoren und die koaxialen Muttern können frei um die gemeinsame Achse drehen, aber sind in axialer Richtung durch Lagersätze 6, 7 eingeschränkt.
• An einem Ende der Gewindespindel 1, das aus dem Gehäuse 1 herausragt wird ein Linear-/Rotationskraft-Anschlussstück 10 verwendet, um den Antrieb mit der Nutzeinrichtung, typischerweise der Einspritzschraube einer Kunststoffspritzgießmaschine zu verbinden. Ein Faltenbalg schützt das Spindelende vor Staub.
• Die Gewindeabschnitte an der Spindel 1 haben entgegengesetzte Richtungen, und genauer gesagt ist in der dargestellten Ausführungsform der Abschnitt 1A ein rechtsgängiger Gewindeabschnitt und Abschnitt 1B ein links gängiger Gewindeabschnitt. Jeder Gewindeabschnitt 1A, 1B erstreckt sich zumindest über einen so langen Bereich, dass er dem erforderlichen Hub plus der Länge der Mutter entspricht. Die Gewindespindel 1 kann sowohl eine Kugelgewinde- als auch eine Rollenspindel entsprechend der erforderlichen Belastbarkeit sein, welche in zweien ihrer Teilbereiche mit den Gewindeabschnitten gefertigt ist.
• Die Motoren 4, 5 können in jeder geeigneten Technologie ausgeführt sein und sind in diesem bevorzugten Beispiel zwei bürstenlose PM Servomotoren.
• Sensoren 8, 9 werden bereitgestellt (oder können bereitgestellt werden), die zum Erzeugen von Signalen eingerichtet und ausgelegt sind, die Positionsinformationen bezüglich der Spindel 1 enthalten, um einen Regelkreis für jeden Motor zu implementieren. Die beiden Motoren 4, 5 werden durch zwei regelbare Motorantriebe oder Wechselrichter 14, 15 und eine Steuereinheit 16 (alle schematisch in der Figur dargestellt) getrieben. Die Gewindespindel ist bevorzugt vom Rollen-Typ, um die Belastungskapazität und die Lebensdauer der Maschine zu maximieren.
• Der offenbarte Antrieb kann gemäß jeglicher Kombination der folgenden zwei Betriebsarten arbeiten:
  Drehantrieb: Beide Motoren 4, 5 werden mit der gleichen Geschwindigkeit und in der gleichen Drehrichtung getrieben. Als Konsequenz ist die Gewindespindel dazu gezwungen, synchron mit den beiden Motoren zu drehen, weil jeder Schlupf der Spindel bezüglich eines jeden der beiden Teile durch die Starrheit des Systems der Lager und die axiale Steifheit der Spindel verhindert wird. In dieser Betriebsart entspricht das Ausgangsdrehmoment der Summe der Drehmomente der beiden Motoren, wodurch zwei Antriebe mit jeweils der halben an der angetriebenen Achse erforderlichen Nennleistung benötigt werden.
• Translations- oder Einspritz-Betrieb: In dieser Betriebsart wird der Motor 5, der am rechtsgängigen Abschnitt der Gewindespindel angreift, vom Antriebs-Ende aus gesehen links herum gedreht; währenddessen wird der Motor 4, der an der linksgängigen Richtung aus dem Antriebs-Ende gesehen angreift, mit genau derselben Geschwindigkeit vom Antriebs-Ende aus gesehen rechts herum gedreht. Auf diese Weise entwickelt die Gewindespindel eine axiale Bewegung, die vom Antriebs-Ende ausgeht, und überhaupt keine Drehbewegung. Der erzeugte Schub entspricht der Summe der Schübe der beiden Einheiten, die wie zuvor die Last und die Leistung gleichmäßig aufeinander verteilen, und so eine der Aufgaben der Erfindung verwirklichen.
• Allgemeiner betrachtet kann der Antrieb, der gemäß der vorliegenden Erfindung verwirklicht ist, jegliche Kombination der beiden Betriebsarten simultan ausführen. In diesem Fall sind, wenn die Geschwindigkeiten der Motoren 4, 5 als ω1 beziehungsweise ω2 dargestellt werden und P die Ganghöhe der Gewindespindel ist, die axiale beziehungsweise die Dreh-Geschwindigkeit des Antriebs gegeben durch:

  

  wobei ωact die resultierende Drehgeschwindigkeit des Antriebs-Endes und vact die resultierende lineare Geschwindigkeit des Antriebs-Endes ist.
• Das Ausgangsdrehmoment und der Ausgangsschub Tact und Fact werden vom folgenden Gleichungssystem repräsentiert:

  

  wobei T1 und T2 die momentanen Ausgangsdrehmomente der beiden Motoren sind.
• Obwohl die Erfindung mit Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform derselben erläutert worden ist, kann die Erfindung in allgemeinerer Form andere Anwendungen haben und Veränderungen erfahren, die in den Umfang der Erfindung fallen, wie für den Fachmann offensichtlich sein wird.

Claims (8)

1. Linear- und Drehantriebsvorrichtung, umfassend: ein langgestrecktes Gehäuse (10), in dem eine Gewindespindel (1) untergebracht ist, welche mit zwei longitudinal beabstandeten Gewindeabschnitten (1A, 1B) mit entgegengesetzten Gewinderichtungen versehen ist; zwei axial voneinander beabstandete Gewindemutterelemente (3, 2), die jeweils mit einem der besagten Gewindeabschnitte (1A, 1B) in Eingriff stehen und dieses stützen; zwei axial voneinander beabstandete ringförmige Motoren (4, 5), von denen jeder einen Rotor enthält, in dessen Innerem jeweils eines der besagten Gewindemutterelemente (3, 2) befestigt ist, wobei die besagten Motoren in axialer Richtung durch Anschlagmittel (6, 7) eingeschränkt sind; Mittel (14, 15), die eingerichtet und ausgelegt sind, die besagten Motoren (4, 5) unabhängig voneinander zu betreiben, und eine Steuereinheit (16), die beide besagten Mittel (14, 15) steuert.
2. Antriebsvorrichtung wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Mittel zum unabhängigen Betreiben der besagten Motoren (4, 5) zwei regelbare Motorantriebe oder Wechselrichter (14, 15) umfassen.
3. Antriebsvorrichtung wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Motor weiter ein Sensor (8, 9) vorgesehen ist, zum Erzeugen von Signalen, die Positionsinformationen bezüglich der besagten Spindel (1) enthalten, um einen Regelkreis für jeden der besagten Motoren (4, 5) zu implementieren.
4. Antriebsvorrichtung wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass er an einem Ende der besagten Gewindespindel (1), das aus dem besagten Gehäuse herausragt, zusätzlich ein Anschlussstück (10) bereitstellt, um die Antriebsvorrichtung mit der Schraube einer Spritzgießmaschine zu verbinden.
5. Antriebsvorrichtung wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Motoren bürstenlose PM Motoren sind.
6. Antriebsvorrichtung wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Gewindespindel (1) vom Rollen-Typ ist.
7. Antriebsvorrichtung wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass das besagte Anschlagmittel (6, 7) Lagersätze umfasst.
8. Antriebsvorrichtung wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die besagte Gewindespindel (1) entweder eine Kugelgewinde- oder eine Rollenspindel umfasst, die in zwei voneinander beabstandeten Teilbereichen mit den besagten Gewindeabschnitten (1A, 1B) gefertigt ist.