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Die
Erfindung betrifft eine Linearantriebsvorrichtung, und zwar gegebenenfalls
für Hochgeschwindigkeits-
und Präzisionsbewegung.
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In
neueren Maschinen und Vorrichtungen, wie Werkzeugmaschinen, Messgeräten usw.
wird eine Linearantriebsvorrichtung, die einen Linearmotor oder
einen Schwingspulenmotor verwendet, weithin verwendet, damit die
Anforderungen der Hochgeschwindigkeit und Präzision erfüllt werden. Diese Linearantriebsvorrichtung
umfasst einen Schieber als bewegliches Bauteil und eine Basis als
stationäres Bauteil.
Wird der Schieber als bewegliches Bauteil beschleunigt, wird eine
Reaktionskraft auf die Basis in einer Richtung entgegen der Richtung
der Beschleunigung des Schiebers ausgeübt. Bei der Durchführung einer
Hochgeschwindigkeitsbewegung der Linearantriebsvorrichtung kann
eine hohe Beschleunigung für
die Hochgeschwindigkeitsbewegung durch einfaches Steigern der Antriebsleistung erzeugt
werden, aber die auf die Basis ausgeübte Reaktionskraft nimmt mit
steigender Beschleunigung des Schiebers zu. In einer Maschine, die
eine genaue Bewegung erfordert, ist eine vorübergehende Verformung oder
Neigung der Maschine, die von der Reaktionskraft beeinflusst wird,
nicht unerheblich, selbst wenn es nur ein kleiner Betrag ist. Man
kann den Einfluss der Reaktionskraft durch Steigern der Festigkeit der
Maschine reduzieren, aber die Maschine wird dann groß und schwer.
Wird der Schieber klein und leicht konzipiert, damit die Reaktionskraft
reduziert wird, wird ein Zweck der Linearantriebsvorrichtung eingeschränkt. Wird
zudem der Schieber so angetrieben, dass er sich mit hoher Geschwindigkeit
hin- und her bewegt, arbeitet der Schieber als Rüttler, wodurch die Linearantriebsvorrichtung
in Schwingung versetzt wird, so dass ein Dämpfer zur Reduktion der Vibration
erforderlich ist. In diesem Fall kann die Vibration, die durch den
Schieber verursacht wird, der sich in einem konstanten Takt hin-
und her bewegt, durch einen einfachen Dämpfer reduziert werden. Für verschiedene
Zwecke der Vorrichtung muss man jedoch den Schieber so antreiben,
dass er sich in verschiedenen Takten hin- und herbewegt, so dass
der Dämpfer
aktiv gesteuert werden muss, wodurch die Vorrichtung kompliziert
und teuer wird. Da es immerhin nicht möglich ist, dass diese Techniken
die Reaktionskraft und somit die Vibration ganz eliminieren, kann
man kaum verhindern, dass die Vibration auf Bauteile außerhalb
der Linearantriebsvorrichtung übertragen
wird. Somit möchte
man eine Linearantriebsvorrichtung verwirklichen, die die Reaktionskraft
und somit die Vibration in der Linearantriebsvorrichtung aufheben
kann.
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Es
wurde eine Linearantriebsvorrichtung vorgeschlagen, deren Funktion
die Aufhebung der Reaktionskraft ist, wobei zwei Schieber verwendet
werden, die sich in entgegen gesetzten Richtungen bewegen, so dass
die Reaktionskraft mit der Antriebskraft aufgehoben wird. In dieser
Linearantriebsvorrichtung wird jedoch nur einer der beiden Schieber zum
Antreiben eines Gegenstandes verwendet, und der andere Schieber
wird nicht zum Antreiben eines Gegenstandes verwendet, wodurch ein
Zweck der Linearantriebsvorrichtung zur Bearbeitung oder Messung
mit beiden Schiebern stark eingeschränkt ist. Zudem ist die Linearantriebsvorrichtung
im Wesentlichen doppelt so groß wie
die herkömmliche
Linearantriebsvorrichtung, und somit ist es schwierig, die Vorrichtung
kompakt zu machen.
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Eine
weitere Linearantriebsvorrichtung ist von
US-A-4 750 721 bekannt, die
einen Schieber gemäß dem Oberbegriff
des beigefügten
Anspruchs 1 umfasst.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer kompakten Linearantriebsvorrichtung,
die eine beim Beschleunigen und beim Abbremsen eines Schiebers in
der Linearantriebsvorrichtung erzeugte Reaktionskraft grundlegend
aufhebt oder reduziert.
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Eine
erfindungsgemäße Linearantriebsvorrichtung
umfasst: eine Basis; ein Antriebsbauteil, das zur Basis in entgegen
gesetzten linearen Richtungen auf der Basis beweglich gehalten wird;
und einen Schieber, der von dem Antriebsbauteil angetrieben wird
und beweglich zum Antriebsbauteil in gleichen, entgegen gesetzten,
linearen Richtungen, wie das Antriebsbauteil gehalten wird. Stromkabel
zum Versorgen des Antriebsbauteils mit elektrischem Strom sind zwischen
der Basis und dem Antriebsbauteil so angeordnet, dass sie als Feder
wirken und eine Federkraft-Gegenbewegung
des Antriebsbauteils in Richtung ihrer Linearbewegung erzeugen,
damit die Abweichung einer Positionsbeziehung bei der Linearbewegung
des Antriebsbauteils in Bezug auf die Basis eliminiert oder reduziert
wird.
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Bei
dieser Anordnung werden eine Antriebskraft und ihre Reaktionskraft
beim Beschleunigen und beim Abbremsen des Schiebers paarweise in
der Linearantriebsvorrichtung aufgehoben, und diese Kräfte üben keinen
Einfluss außerhalb
der Vorrichtung aus.
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Das
Antriebsbauteil kann auf der Basis mit einem Hydrauliklager gelagert
sein, so dass im Wesentlichen keine Kraft auf die Basis übertragen
wird. In diesem Fall kann eine Anregungsspule des Antriebsbauteils
mit einer Harzschicht beschichtet werden, so dass eine Oberfläche der
Harzschicht eine Lageroberfläche
des Hydrauliklagers ausmacht.
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Der
Schieber kann zudem auf dem Antriebsbauteil mit Hilfe eines Hydrauliklagers
gelagert sein. In diesem Fall kann eine Anregungsspule des Antriebsbauteils
auch mit einer Harzschicht beschichtet sein, so dass eine Oberfläche der
Harzschicht eine Lageroberfläche
des Hydrauliklagers ausmacht.
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Das
Antriebsbauteil und der Schieber können verschiedene Gewichte
aufweisen, so dass sie verschiedene Bewegungshübe aufweisen.
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Die
Gewichtsverteilungen des Antriebsbauteils und des Schiebers können so
eingestellt werden, dass sie in Bezug auf eine Bewegungsachse dieser
Bauteile symmetrisch sind, so dass keinerlei Drehbewegung dieser
Bauteile beim Antreiben des Schiebers erfolgt.
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Das
Antriebsbauteil und der Schieber können einen Linearmotor ausmachen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigt:
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1a bis 1c eine
Draufsicht, einen Aufriss, bzw. eine linksseitige Ansicht einer
Linearantriebsvorrichtung gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform;
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2 einen
Querschnitt der Linearantriebsvorrichtung entlang der Linie II-II
in der 1b;
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3 eine
schematische Ansicht der Linearantriebsvorrichtung, die die Verdrahtung
der Stromkabel eines Stators zeigt;
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4,
eine schematische Darstellung der Linearantriebsvorrichtung, den Übergang
der Positionen eines Schiebers und eines Stators beim Antreiben
des Schiebers zur Hin- und Herbewegung in einer zeitlichen Abfolge.
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Es
wird eine Linearantriebsvorrichtung mit einem Linearmotor gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform
beschrieben.
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Wie
in den 1a bis 1c beschrieben, umfasst
die Linearantriebsvorrichtung drei Bauteile, nämlich eine Basis 1,
einen Stator 2 mit einer Anregespule und einen Schieber 3 mit
Dauermagneten. Ein Linearmotor besteht aus dem Stator 2 als
Antriebsbauteil und einem Schieber 3 als bewegliches Bauteil,
das vom Stator 2 angetrieben wird.
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Bei
dieser Ausführungsform
machen alle gleitenden Seiten der Basis 1 und des Stators 2 luftgelagerte
Oberflächen
eines Luftlagers aus, so dass der Stator 2 so gehalten
wird, dass er sich linear nur in axial entgegen gesetzten Richtungen
auf der Basis 1 durch das Luftlager bewegt, im Gegensatz
zu einer herkömmlichen
Anordnung eines Stators, der fest auf der Basis befestigt ist. Wie
in der 2 gezeigt, machen sämtliche gleitenden Flächen des
Schiebers 3 und des Stators 2 luftgelagerte Oberflächen 4 eines Luftlagers
aus, so dass der Schieber 3 auf dem Stator 2 so
gelagert ist, dass er sich nur in den gleichen axialen Gegenrichtungen
linear bewegt, wie die lineare Bewegung des Stators 2 durch
das Luftlager. Der Stator 2 hat eine Form einer rechteckigen
Stange, wie in der 1c und 2 gezeigt,
so dass der Stator 2 das Luftlager führt, damit die Bewegung des Schiebers 3 in
axiale Gegenrichtungen eingeschränkt
wird, und die Struktur der Linearantriebsvorrichtung vereinfacht
wird. Mit der vorstehenden Anordnung sind der Stator 2 und
der Schieber 3 koaxial entlang der Achse von deren linearen
Bewegungen gelagert.
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Der
Stator 2 umfasst einen Kern 21, der an seinem
Mittelteil angeordnet ist, und eine Anregespule 22, die
um den Kern 21 gewickelt ist. Die Spule 22 wird
durch Formen mit einer Harzschicht 23 beschichtet. Die
Harzschicht 23 hat flache Außenseiten, die geglättet sind
sind, damit die Luftlagerflächen des
Luftlagers erhalten werden. Der Schieber 3 hat ein rechteckiges
Durchgangsloch und Dauermagneten 31 mit zugehörigen Magnetkernen 32 auf
den inneren Gegenseiten. Die Oberflächen der Magneten 31 machen
die Luftlagerflächen 4 aus.
In der 2 ist ein Luftzufuhrweg 33 zum Zuführen von
Pressluft zwischen die Luftlagerflächen 4 im Inneren
des Schiebers 3 gebildet.
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Der
Schieber 3 wird gemäß einem
Prinzip eines bekannten Linearmotors getrieben. Insbesondere wird
der Schieber 3 von einer elektromagnetischen Kraft getrieben,
die von einem Magnetfeld erzeugt wird, das von elektrischem Strom
an der Spule 22 erzeugt wird, und einem Magnetfeld der
Magneten 31. Wird der Schieber 3 so angetrieben,
dass er in einer axialen Richtung beschleunigt, wird der Stator
in der anderen axialen Gegenrichtung durch die Reaktionskraft der
Beschleunigungskraft beschleunigt. Wird somit der Schieber 3 so
angetrieben, dass er in einer axialen Richtung abgebremst wird,
wird der Stator in der anderen axialen Gegenrichtung durch die Reaktionskraft
der Abbremskraft abgebremst. Beim Beschleunigen und Abbremsen ist
der Reibungswiderstand in der Axialrichtung im Wesentlichen gleich Null,
da der Stator 2 auf der Basis durch das Luftlager gehalten
wird, und daher wird keine Kraft von dem sich bewegenden Stator 2 auf
die Basis 1 übertragen.
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Somit
ist das Bewegungssystem von Schieber 3 und Stator 2 geschlossen.
Die inneren Kräfte, die
zwischen dem Schieber 3 und dem Stator 2 Wechselwirken,
werden paarweise aufgehoben und tragen nicht zur Bewegung des Gesamtsystems
bei. Im Idealfall wird keine Kraft außerhalb des Systems übertragen,
selbst wenn der Schieber 3 und der Stator 2 mit
einer hohen Geschwindigkeit bewegt werden. In der vorstehenden Anordnung
muss der Stator 2 eine Länge aufweisen gleich einer Summe
des Hubs des Schiebers 3 und des Hubs von Stator 2, wobei
die Länge
des Stators größer ist,
als die der herkömmlichen
linearen Antriebsvorrichtung.
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Da
die Antriebskraft des Antriebs des Schiebers 3 und die
auf den Stator 2 ausgeübte
Reaktionskraft einander gleichen und entgegen gesetzte Richtungen
aufweisen, sind die jeweiligen Bewegungshübe des Schiebers 3 und
des Stators 2 in umgekehrten Verhältnis zu den jeweiligen Gewichten.
Angesichts dieser Beziehung wird das Gewichtsverhältnis von Schieber 3 und
Stator 2 so eingestellt, dass das Gewicht des Stators 2 größer als
das Gewicht des Schiebers 3 ist, damit der Hub und somit
die Länge des
Stators 2 verkürzt
wird.
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Die 4 zeigt
den Übergang
der Positionen des Schiebers 3 und des Stators 2 in
einer Zeitreihe, während
der Schieber 3 so angetrieben wird, dass er sich hin- und herbewegt. In
diesem Beispiel ist das Gewicht des Stators 2 fünf Mal so
groß wie
das Gewicht des Schiebers 3, d. h. das Verhältnis des
Gewichts des Stators 2 zum Gewicht des Schiebers 3 ist 5:1.
Im Zustand (a) in der 4 wird der Schieber 3 so
angetrieben, dass er sich nach rechts bewegt, und er sich zwischen
einer rechten Außenposition
im Zustand (c) und einer linken Außenposition im Zustand (g)
hin- und her bewegt. Ein Vergleich des Zustands (a), bei dem der
Schieber 3 in einer Mittelposition ist, und des Zustands
(c), bei dem sich der Schieber 3 in einer rechten Außenposition
befindet, ergibt, dass das Bewegungsausmaß des Schiebers 3 in
Rechtsrichtung größer als
das Bewegungsausmaß des
Stators in Linksrichtung. Entsprechend wird durch Vergleich des
Zustands (c), bei dem sich der Schieber 3 in einer rechten
Außenposition
befindet, und des Zustands (g), bei dem sich der Schieber 3 an
der linken Außenposition
befindet, ersichtlich, dass ein Bewegungsausmaß des Schiebers 3 in
Linksrichtung größer ist
als ein Bewegungsausmaß des
Stators 2 in Rechtsrichtung, so dass der Hub des Schiebers 3 fünf Mal so
groß ist
wie der Hub von Stator 2.
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Der
Schieber 3 und der Stator 2 bewegen sich wie beschrieben
in den gleichen axialen Gegenrichtungen und haben unterschiedliche
Hübe. Solange
die Beziehung der relativen Bewegungen von Schieber 3 und
Stator 2, bestimmt durch das Verhältnis ihrer Gewichte, beibehalten
wird, wird der Schwerpunkt einer Kombination dieser Bauteile nicht geändert. Somit
beeinträchtigt
keine Änderung
des Schwerpunkts die Linearantriebsvorrichtung. Da die auf den Stator 2 ausgeübte Reaktionskraft
nicht auf die Basis 1 der Linearantriebsvorrichtung übertragen wird,
und der Schwerpunkt sich nicht mit den Bewegungen des Schiebers 3 und
des Stators 2 ändert, wird
eine Linearantriebsvorrichtung ohne Reaktion in der Hochgeschwindigkeitsbewegung
verwirklicht.
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Da
die Linearantriebsvorrichtung derart ausgelegt ist, dass sie zum
Antreiben eines Gegenstandes verwendet wird, der mit einer hohen
Geschwindigkeit hin- und her bewegt werden soll, wird die Position
des Schiebers 3 nicht gesteuert, wohl aber die Geschwindigkeit
des Schiebers 3. Das Verhältnis zwischen den relativen
Bewegungen des Stators 2 und des Schiebers 3 wird
wie beschrieben nicht geändert,
da sie durch das Verhältnis
der Gewichte der beiden Bauteile bestimmt werden. Das Positionsverhältnis der
Bewegung des Stators 2 in Bezug auf die Basis 1 kann
aufgrund des Luftwiderstands und der Elastikkraft der an den Stator 2 angeschlossenen Stromkabel
leicht verschoben werden. Wie in der 3 gezeigt
werden zur Verhinderung der Verschiebung des Positionsverhältnisses
des Stators 2 und der Basis 1, die Stromkabel 5 so
verdrahtet, dass der Stator 2 zur Zentralposition auf der
Basis 1 zurück
geführt
wird, wobei man die Elastizität
der Kabel nutzt, die als schwache Federn wirken. Es können zusätzliche
schwache Federn verwendet werden, die an beiden Enden des Stators 2 befestigt
werden müssen,
so dass der Stator 2 zu einer festgelegten Position (Zentralposition)
zurück
gedrängt
wird. Weiter werden in dieser Ausführungsform die Formen des Stators 2 und
des Schiebers 3 so bestimmt, dass die Gewichte dieser Bauteile
symmetrisch in Bezug auf deren Mittelachse verteilt werden, wie
in der 2 gezeigt, damit die Erzeugung eines Moments zur
Drehung der Bauteile beim Beschleunigen und beim Abbremsen verhindert
wird. Verursacht ein an der Oberseite des Schiebers 3 befestigter
Gegenstand eine Unwucht der Kombination des Schiebers 3 und
des Stators 2, kann ein Gegengewicht zugefügt werden,
damit das Gleichgewicht eingestellt wird.
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In
der vorhergehenden Ausführungsform wird
ein Linearmotor von dem Stator 2 und dem Schieber 3 gebildet.
Alternativ kann ein Schwingspulenmotor auf ähnliche Weise aufgebaut sein.
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Zudem
werden in der vorhergehenden Ausführungsform Luftlager zwischen
dem Stator 2 und der Base 1 verwendet, und auch
zwischen dem Stator 2 und dem Schieber 3, obgleich
Hydrauliklager, wie Öllager,
dazwischen verwendet werden können. Da
zudem die vorliegende Erfindung dazu vorgesehen ist, keine in der
Linearantriebsvorrichtung erzeugte Kraft außerhalb der Vorrichtung durch
paarweise erfolgendes Eliminieren innerhalb der Vorrichtung zu übertragen,
muss das zwischen dem Stator 2 und dem Schieber 3 bereitgestellte
Lager nicht unbedingt ein Hydrauliklager sein, damit die Aufgabe
und die Wirkung der vorliegenden Erfindung erfüllt werden. Das Hydrauliklager
wird mindestens zwischen dem Stator und der Basis 1 bereitgestellt,
damit die Kräfte,
die beim Beschleunigen und Abbremsen des Schiebers 3 entstehen,
nicht auf die Basis 1 übertragen
werden.
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Erfindungsgemäß wird die
beim Beschleunigen und Abbremsen des Schiebers entstehende Reaktionskraft,
welche ein Problem in einer Hochgeschwindigkeits- und Präzisions-Linearantriebsvorrichtung
war, grundlegend innerhalb der Vorrichtung aufgehoben, so dass eine
Hochgeschwindigkeits- und Präzisionsmessung
oder- Verarbeitung
verwirklicht werden kann, indem die erfindungsgemäße Linearantriebsvorrichtung
in einer Messvorrichtung oder einer Werkzeugmaschine eingesetzt
wird.