DE69406432T2

DE69406432T2 - Integriertes drehendes Antriebsgerät

Info

Publication number: DE69406432T2
Application number: DE1994606432
Authority: DE
Inventors: Arthur J Bellemore; Thomas K Hebert; David B Larsen
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1994-06-09
Filing date: 1994-06-09
Publication date: 1998-06-04
Anticipated expiration: 2014-06-10
Also published as: DE69406432D1; EP0687053B1; EP0687053A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Drehantriebssysteme und insbesondere von einem Elektromotor angetriebene Drehantriebssysteme, die eine Verfeinerung der Steuerung durch ein elektronisches Rückkopplungssystem mit Regelschleife erfordern. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die mechanische Auslegung eines Drehantriebssystems mit Rückkopplungsregler mit Regelschleife, der das vom Elektromotor ausgegebene Drehmoment zum Zwecke der Drehung eines drehbaren Körpers auf geregelte Art und Weise variiert. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung ein Drehantriebssystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ein derartiges Drehantriebssystem ist aus der US-A-4 079 300 bekannt.
Ein geregeltes Drehantriebssystem umfaßt im typischen Fall ein mechanisches System sowie ein elektronisches Steuersystem mit Regelschleife. Ein derartiges mechanisches System beinhaltet zumindest einen Elektromotor, einen drehbaren Körper zur Drehung auf geregelte Art und Weise, eine Rückkopplungsvorrichtung, z.B. ein Tachometer oder einen Kodierer, und zumindest eine Welle, die den Motor mit dem drehbaren Körper verbindet und Drehmoment vom Motor an den drehbaren Körper überträgt. Im allgemeinen ist der Anker oder Rotor des Elektromotors mechanisch mit einer Motorwelle gekoppelt, die nachstehend als Antriebswelle bezeichnet ist, und eine erste mechanische Kopplung wird dazu verwendet, die Antriebswelle entweder direkt mit dem auf geregelte Art und Weise zu drehenden Körper oder mit einer weiteren mechanischen Kopplung zu koppeln, die eine Capstanwelle, einen Riemen/Scheibe-Aufbau, eine Gewindespindel oder eine Zahnradkopplung aufweisen kann, durch den/die die erste mechanische Kopplung und der zu drehende Körper miteinander verbunden sind.
Das elektronische Regelsystem mit Regelschleife enthält zumindest ein Steuersignal, das ein gewünschtes Merkmal des auf geregelte Art und Weise zu drehenden Körpers darstellt, das z.B. die Position, die Geschwindigkeit oder das Drehmoment darstellt, ein Rückkopplungssignal, das proportional zu einem von der Rückkopplungsvorrichtung gemessenen Parameter ist, einen Signalprozessor zum Vergleichen des Befehlssignals mit dem Rückkopplungssignal, ein vom Signalprozessor erzeugtes Fehlersignal und einen Verstärker zur Verstärkung des erzeugten Fehlersignals.
In der Regelungstheorie ist es wohlbekannt, siehe beispielsweise G. Beimson, PRINCIPLES OF FEEDBACK CONTROL, BAND 1, Wiley-Interscience Publication, John Wiley & Sons, 1988, Seiten 10 bis 15 und BAND 2, 1988, Kapitel 10, daß das komplexe Verhältnis des Systemrückkopplungssignals zum Systemfehlersignal als "Schleifentransferfunktionll definiert ist. Eine derartige Schleifentransferfunktion ist repräsentativ für die kombinierte elektro-mechanische Leistung der Schleife, und ist als Phasor (komplexer Zeiger) mit einer Größe gleich der "Schleifenverstärkung" und einem Phasenwinkel gleich der "Schleifenphase" definiert. Die Schleifentransferfunktion stellt eine quantitative Vorrichtung dar, die die Fähigkeit der Schleife zur Regelung der Parameter des zu steuernden Körpers angibt. Es ist ebenfalls wohlbekannt, daß die Schleifentransferfunktion in Abhängigkeit von der Frequenz des Fehlersignais in Größe und Phase schwankt.
Im allgemeinen muß eine Rückkopplungsschleife eine Schleifenverstärkung von mindestens Eins haben, damit sie auf den zu regelnden Körper eine effektive Regelwirkung hat, sowie eine Phasennacheilung von weniger als 180º, um stabil zu bleiben. Da die Schleifenverstärkung notwendigerweise mit zunehmender Frequenz abnimmt, und die Schleifenphase notwendigerweise mit zunehmender Frequenz ansteigt, gibt es für jede Regelschleife eine "Verstärkungsübergangsfrequenz", oberhalb der die Schleifenverstärkung weniger als Eins beträgt, und eine "Phasenübergangsfrequenz", oberhalb der die Schleifenphasennacheilung größer als 180º ist. Es folgt daher daraus, daß ein Fehlersignal mit einer Frequenz unterhalb der Verstärkungsübergangsfrequenz verstärkt wird, während ein Fehlersignal mit einer Frequenz oberhalb der Verstärkungsübergangsfrequenz gedämpft wird. Die "Bandbreite" einer Regelschleife läßt sich als der Frequenzbereich von Null bis zur Verstärkungsübergangsfrequenz definieren. Im allgemeinen ist es bei Regelsystemen ein Ziel, eine maximale Verstärkung bei niedrigen Frequenzen zu erzielen, wobei gleichzeitig eine maximale Schleifenbandbreite zur Verfügung gestellt wird. Außerdem ist es auch ein Konstruktionsziel, daß die Übergangsfrequenz der Schleifenphase außerhalb der Schleifenbandbreite liegt. Die Schleifenbandbreite ist ein Mittel zur Quantifizierung dessen, wie schnell die Schleife die gerade geregelten Parameter variieren kann.
Ein grundlegendes Problem bei der Verwendung von Rückkopplungsregelung liegt darin, daß durch die Rückkopplung Schwingungen entweder in der Regelschleife oder im geregelten mechanischen System entstehen können. Derartige Schwingungen treten dann auf, wenn die Frequenz des Rückkopplungssignals gleich oder fast gleich einer Systemresonanzfrequenz ist, d.h. einer Frequenz, bei der die Systemverstärkung sehr hoch ist. Ein besonderes Problem geregelter Drehsysteme ist die Anregung mechanischer Torsionsresonanzfrequenzen der Antriebsmechanik und besonders dann, wenn diese mechanischen Torsionsresonanzfrequenzen in den Bandbreitenbereich der Regelschleife fallen.
Mechanische Schwingungen treten als Folge dessen auf, daß verschiedene Bereiche des mechanischen Systems relativ zueinander unterschiedliche Winkelpositionen und -phasen haben, so daß einige Bereiche sogar entgegengesetzte Geschwindigkeitsvektoren haben. Hieraus ergibt sich, daß entgegengesetzte Torsionsbelastungen den mechanischen Antrieb wie eine Feder aufziehen. Dieser Zustand kann durch die Regelschleife weiter verstärkt werden, die ebenfalls bei der mechanischen Torsionsresonanzfrequenz zu schwingen beginnt, als Versuch, die Kontrolle wiederzuerlangen. Mechanische Resonanzbedingungen können das mechanische System zerstören und zumindest einen Zusammenbruch der effektiven Bewegungssteuerung verursachen.
Im allgemeinen ist es bei Bewegungsregelungssystemen üblich, mechanische Schwingungen elektrisch durch Verwendung eines Sperrfilters zur Dämpfung des Systemansprechens bei bestimmten mechanischen Torsionsresonanzfrequenzen zu überwinden. Ein Sperrfilter zur Verwendung bei Bewegungsregelungssystemen ist beispielsweise von B. Kuo und J. Tal in DC MOTORS AND CONTROL SYSTEMS, SRL Publishing Illinois, 1978, auf Seite 125 beschrieben, jedoch kann ein derartiges Filter die Schleifenphasenübergangsfrequenz in die Schleifenbandbreite hinein verschieben, wodurch elektrische Schwingungsmodi hinzugefügt werden, die auf andere Weise kompensiert werden müssen.
In der U.S.-Patentschrift Nr. 4,507,592 beschreibt R. Anderson die Verwendung gespeicherter Bewegungsprofile, die im Nur-Lese-Speicher gespeichert sind, und auf der Grundlage von eingegebenen Befehlssignalen ausgewählt und zur Vermeidung einer Anregung bestimmter mechanischer Resonanzfrequenzen verwendet werden. Dieses Verfahren erfordert eine Vorkenntnis der erforderlichen Geschwindigkeitsprofile und kann keinen Belastungsschwankungen am geregelten drehenden Körper Rechnung tragen.
In der U.S.-Patentschrift Nr. 4,873,887 beschreiben A. Rainer et al. die Verwendung eines Torsions-Vibrationsdämpfers, der die Amplitude mechanischer Schwingungen durch Verringerung der Systemverstärkung bei gewissen Torsionsresonanzfrequenzen ändert, jedoch nicht die Frequenz der mechanischen Schwingung ändert.
Die für eine Torsionsresonanz bei einem Drehantriebssystem verantwortlichen Parameter können äußerst komplex sein; bei einer einfachen Welle jedoch, siehe beispielsweise DC MOTORS AND CONTROL SYSTEMS von B. Kuo und J. Tal, SRL Publishing Illinois, Seite 124, wird ihre grundlegende Torsionsresonanzfrequenz durch die Steifigkeit der Welle und ihr äquivalentes Trägheitsmoment bestimmt. Gemäß der Veröffentlichung von Kuo und Tal können entweder eine Erhöhung der Steifigkeit der Welle oder eine Verringerung des äquivalenten Trägheitsmoments jeweils die Wirkung haben, daß sich die grundsätzliche Torsionsresonanzfrequenz der Welle erhöht. Des weiteren werden die Steifigkeit der Welle und das äquivalente Trägheitsmoment vollkommen durch den Durchmesser, das Scher-Elastizitätsmodul und die Länge der Welle bestimmt. Außerdem hat der Durchmesser der Welle den stärksten Einfluß auf beide Parameter. Es folgt daher, daß die grundsätzliche Torsionsresonanzfrequenz eines Drehantriebs durch Erhöhung des Durchmessers der Antriebswelle und Verkürzung ihrer Länge erhöht werden kann.
Angesichts der voranstehend aufgeführten grundsätzlichen Kriterien geregelter Drehantriebssysteme und angesichts der allgemeinen Zielsetzung der Erhöhung der Bandbreite des Regelsystems ohne Erregung mechanischer Resonanzfrequenzen ist es dementsprechend allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Torsionsresonanzfrequenz eines mechanischen Drehantriebssystems zu erhöhen, damit die Bandbreite des elektronischen Regelsystems mit Regelschleife erhöht werden kann.
Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Anzahl von Komponenten eines mechanischen Drehantriebssystems zu verringern, wodurch sich die Kosten des Systems verringern.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Genauigkeit des Bewegungsrückkopplungssystems zu verbessern, indem die Steifigkeit des Drehantriebs derart erhöht wird, daß die am Antrieb befestigte Rückkopplungsvorrichtung eine erhöhte Ansprechbandbreite hat.

Zusammenfassung der Erfindung

Für eine integrierte Drehantriebsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 werden die Aufgaben der vorliegenden Erfindung durch die im Kennzeichen von Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die Erfindung stellt ein kompaktes, kostenreduziertes integriertes Drehantriebssystem mit einer grundlegenden Torsionsresonanzfrequenz zur Verfügung, wobei diese Frequenz gegenüber denjenigen von im Stand der Technik beschriebenen Drehantrieben durch Verwendung eines größeren effektiven Wellendurchmessers und eine verringerte effektive Länge der Welle erhöht ist. Außerdem stellt der Antrieb eine mechanische Kopplung zwischen einem Elektromotor, einem Trägheits-Schwungrad, einer Rückkopplungsvorrichtung und einem angetriebenen Element zur Verfügung, ohne daß hierzu herkömmliche mechanische Wellenkopplungsvorrichtungen erforderlich sind.
Der integrierte Drehantrieb umfaßt ein abnehmbares Gehäuse mit darin angebrachten Kugellagern oder Druchführungshülsen zur Lagerung einer durch dieses Gehäuse verlaufenden Antriebswelle. Das abnehmbare Gehäuse umfaßt eine erste Befestigungsschnittstelle, an der ein Elektromotor angebracht wird, und eine zweite Befestigungsschnittstelle, an der das abnehmbare Gehäuse an einem Rahmen angebracht wird.
Das Trägheitsschwungrad und die Rückkopplungsvorrichtung sind an der Antriebswelle befestigt. Der Elektromotor, der am abnehmbaren Gehäuse und an der Antriebswelle befestigt ist, dreht die Antriebswelle, das Schwungrad und die Rückkopplungsvorrichtung auf eine Art und Weise, die durch eine elektronische Servovorrichtung mit Regelschleife geregelt werden kann. Die Antriebswelle kann mechanisch mit einem Element gekoppelt werden, das auf geregelte Art und Weise angetrieben werden soll.
Die Erfindung wie beschrieben kann auch ohne Verwendung eines abnehmbaren Gehäuses ausgelegt werden, so daß die Lager, die Antriebswelle, die Rückkopplungsvorrichtung und der Elektromotor direkt an einem Rahmen angebracht sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die voranstehend aufgeführten sowie weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung ergeben sich am besten aus der ausführlichen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, die zur Veranschaulichung ausgewählt wurde und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist, von denen:
Fig. 1 eine auseinandergezogene Ansicht eines integrierten Drehantriebsaufbaus darstellt, der aus einem wellenlosen Gleichstrom-Elektromotor, einem integrierten Hohlwellenaufbau, einem Befestigungsrahmen und einem drehbaren Körper, der auf geregelte Art und Weise gedreht werden soll, beispielsweise einer Capstanwelle, besteht;
Fig. 2 eine auseinandergezogene Ansicht des wellenlosen Gleichstrommotors zeigt;
Fig. 3 eine auseinandergezogene Ansicht des integrierten Hohlwellenaufbaus, einschließlich des Befestigungsrahmens und der Capstanwelle, darstellt;
Fig. 4 eine detaillierte Ansicht der Capstan-Koppelwelle zeigt; und
Fig. 5 eine Schnittansicht über eine Ebene, die durch die Drehachse verläuft, zeigt, die einen zusammengebauten integrierten Hohlwellenaufbau, einen Gleichstrommotor, eine Capstanwelle und eine an einem Rahmen befestigte Capstankoppelwelle darstellt.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 5 ist eine integrierte Drehantriebsvorrichtung allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Der Antrieb 10 umfaßt einen Hohlwellenaufbau, der allgemein mit der Bezugsziffer 12 bezeichnet ist, und einen wellenlosen Gleichstrom-Elektromotor, der allgemein mit der Bezugsziffer 14 bezeichnet ist.
Der in Fig. 3 gezeigte Hohlwellenaufbau 12 umfaßt eine Hohlwelle, allgemein mit der Bezugszahl 200 bezeichnet, die an einem Ende in einem Leitkugellager 202 und am anderen Ende in einem zweiten Kugellager 204 gelagert ist. Die Kugellager 202 und 204 sind jeweils an ihrem Außendurchmesser durch einen abnehmbaren Gehäuseaufbau gestützt, der allgemein mit der Bezugsziffer 20ß gekennzeichnet ist. Der Hohlwellenaufbau 12 umfaßt des weiteren ein Trägheits-Schwungrad 208, eine drehende optische Kodierscheibe 210 und einen optischen Kodierer/Leser 212. Das Schwungrad 208 und die Scheibe 210 sind jeweils an der Hohlwelle 200 befestigt.
Der in Fig. 2 gezeigte Gleichstrommotor 14 umfaßt einen an einer Welle anbringbaren Ankeraufbau, der allgemein die Bezugszahl 50 trägt, eine Motorflußplatte 60 und einen Motorstator 62. Die mechanische Kopplung des Aufbaus 12 von Motor 14 und Capstanwelle 16 ist in den nachfolgenden Abschnitten näher erläutert.
Bei dem Gleichstrommotor 14 handelt es sich um einen bürstenlosen Gleichstrommotor, der durch eine elektronische Servosteuerung mit Regelschleife regelbar ist. Insbesondere handelt es sich hierbei um einen Gleichstrommotor des Bausatztyps, der in nicht zusammengebautem Zustand erhältlich ist. Der Motor 14 umfaßt einen auf einer Welle anbringbaren Ankeraufbau 50, der einen Motoranker oder Rotor 52 mit daran angebrachter integraler Wellenbefestigungsnabe 54 umfaßt. Die Befestigungsnabe 54 weist eine durch sie hindurch verlaufende zentrale Bohrung 56 auf, wobei der Durchmesser der Bohrung 56 derart gewählt ist, daß sich mit einer anzutreibenden Welle eine Passung mit geringfügigem Spiel ergibt. Die Nabe 54 weist zwei Gewindebohrungen 58 auf, deren Achsen jeweils senkrecht zu derjenigen der zentralen Bohrung 56 sowie senkrecht zueinander verlaufen. Durch die Gewindebohrungen 58 wird ermöglicht, daß die Befestigungsnabe 54 durch Stellschrauben 64 an einer angetriebenen Welle befestigt werden kann. Ein derartiger Motor wird beispielsweise von der Firma PMI MOTORS aus Syosset N.Y., U.S.A. unter der Artikelnr. 1280035 vertrieben und ist im Handel erhältlich.
Der Hohlwellenaufbau 12, der in auseinandergezogener Darstellung in Fig. 3 und in Schnittansicht zusammengebaut mit der Capstanwelle 16, dem Rahmen 20 und dem Motor 14 in Fig. 5 gezeigt ist, wird unabhängig vom Antriebssystem zusammengebaut und kann als in sich selbst abgeschlossene Einheit behandelt werden. Der Hohlwellenaufbau 12 hat folgende Funktionen: Drehbare Lagerung eines Endes der Capstanwelle 16, Bereitstellung einer Präzisions-Befestigungsschnittstelle zwischen Hohlwelle 200 und Rahmen 20, wobei diese Befestigungsschnittstelle bei der Montage keiner Ausrichtung bedarf, Bereitstellung einer Befestigungsschnittstelle für den Gleichstrommotor 14 und Bereitstellen einer mechanischen Kopplung zwischen Capstanwelle 16 und Schwungrad 208 sowie zwischen Capstanwelle 16 und optischer Kodierscheibe 210. Außerdem stellt der Aufbau 12 eine Befestigungsschnittstelle für den optischen Kodierer/Leser 212 bereit.
Der Hohlwellenaufbau 12 stellt des weiteren eine sich drehende träge Masse, Schwungrad 208, zur Verfügung, wobei es sich um ein integrales Merkmal des elektromechanischen Antriebs- und Regelsystems handelt, das die Funktion hat, gegenüber Schwankungen der Antriebs-Winkelgeschwindigkeit Widerstand zu leisten, welche beispielsweise durch Belastungsschwankungen an der Capstanwelle 16 oder durch Stromschwankungen am Gleichstrommotor 14 hervorgerufen werden. Außerdem stellt die optische Kodierscheibe 210 bei Ausrichtung mit dem Kodierer/Leser 212 eine elektronische Rückkopplung zum elektronischen Regelsystem mit Regelschleife bereit. Die Rückkopplung umfaßt hierbei ein elektronisches Signal, das die Winkelposition und die Geschwindigkeit der Hohlwelle 200 darstellt. Das Rückkopplungssignal wird zur Regelung des Ausgangsdrehmoments des Gleichstrommotors 14 verwendet, wodurch eine Regelung der Bewegung der Capstanwelle 16 bereitgestellt wird. Derartige Drehkodiergeräte werden beispielsweise von der Firma COMPUTER OPTICAL PRODUCTS aus Chatsworth, CA, U.S.A., vertrieben und sind im Handel erhältlich.
Eine detaillierte Beschreibung und ein Montageverfahren für den Hohlwellenaufbau 12 sind nachstehend angegeben und ergeben sich am besten aus der Darstellung gemäß Fig. 3. Bei der Hohlwelle 200 handelt es sich um eine abgestufte Hohlwelle mit einem größten Außendurchmesser 201, einem Durchmesser 203 einer Kodierscheibenschnittstelle, einem Durchmesser 205 einer Staubabdichtungsschnittstelle sowie einem Innendurchmesser 304.
Das Leitkugellager 202 wird am Durchmesser 201 auf die Hohlwelle 200 gedrückt, so daß die Welle und die Auflagekanten bündig sind.
Das Lager 202 wird auch unter Verwendung eines Wellenmitnahmeklebstoffes an der Welle 200 befestigt. Derartige Klebstoffe werden beispielsweise von der Firma LOKTITE INC. vertrieben und sind im Handel erhältlich.
Ein aus zwei Teilen bestehendes, abnehmbares Gehäuse 206 weist eine Durchgangsbohrung 216 auf, die durch den ersten Gehäuseteil 218 verläuft, sowie eine Schulterbohrung 219, die von der Seite der Rahmenbefestigungsoberfläche 226 gebohrt ist. Die Tiefe der Schulterbohrung 219 ist geringfügig kleiner als die Breite des Kugellagers 202. Eine zweite Durchgangsbohrung 220 verläuft durch den zweiten Gehäuseteil 222 und hat denselben Durchmesser wie die Schulterbohrung 219. Das abnehmbare Gehäuse 206 ist derart aufgebaut, daß die Durchgangsbohrung 220, die Durchgangsbohrung 216 und die Schulterbohrung 219 alle eine gemeinsame Achse 224 haben. Die Achse 224 stellt auch die Drehachse des Antriebssystems dar. Ausrichtstifte 226 sind im zweiten Gehäuseteil 222 enthalten, um beim Zusammenbau des ersten Gehäuseteils 218 mit dem zweiten Gehäuseteil 222 die Durchgangsbohrungen 216 und 220 und die Schulterbohrung 219 entlang der gemeinsamen Achse 224 auszurichten.
Der Durchmesser der Schulterbohrung 219 ist derart gewählt, daß sich mit dem Außendurchmesser der Kugellager 202 eine leichte Preßpassung ergibt, während der Durchmesser der Durchgangsbohrung 220 derart gewählt ist, daß sich mit dem Außendurchmesser des Lagers 204 eine Passung mit geringfügigem Spiel ergibt. Der Durchmesser der Durchgangsbohrung 216 ist zwar geringer als derjenige der Schulterbohrung 219, jedoch nicht kleiner als der Durchmesser des inneren Kugellager-Laufrings 228 (siehe Fig. 5).
Das nunmehr mit der Hohiwelle 200 zusammengefügte Leitlager 202 ist derart in der Schulterbohrung 219 installiert, daß die Hohlwelle 200 durch die Durchgangsbohrung 216 hindurch verläuft. Das Lager 202 ist derart an seine Position gepreßt, daß es die zwischen der Durchgangsbohrung 216 und der Schulterbohrung 219 gebildete Schulter berührt. Das Leitlager 202 ragt somit über die Rahmenbefestigungsoberfläche 226 des ersten Gehäuseteils hinaus, da die Tiefe der Schulterbohrung 219 geringer als die Breite des Kugellagers 202 ist. Der Vorsprung des Leitlagers 202 wird in einem späteren Schritt zur Führung des Hohlwellenaufbaus 12 auf den Rahmen 20 verwendet.
Der Wellen-Abstandshalter ist ringförmig, wobei sein Innendurchmesser derart gewählt ist, daß sich mit dem Hohlwellendurchmesser 201 eine Passung mit Spiel ergibt, und sein Außendurchmesser nicht größer als der Außendurchmesser des inneren Kugellager-Laufrings 228 ist. Der Abstandshalter ist auf der Welle 200 angeordnet und sorgt für eine Trennung von Lager 202 und Schwungrad 208.
Das Schwungrad 208 ist eine kreisförmige Scheibe, die nahe ihres Zentrums eine kreisförmige Ausnehmung 209 aufweist (siehe Fig. 5), deren Aufgabe darin besteht, die Länge der Hohlwelle 200 zu verringern, indem Raum für das Kugellager 204 bereitgestellt wird. Das Schwungrad 208 weist eine durch das Schwungrad hindurch verlaufende zentrale Bohrung 232 auf, wobei der Durchmesser dieser Bohrung 232 derart gewählt ist, daß sich mit dem Durchmesser 201 der Hohlwelle eine leichte Preßpassung ergibt. Das Schwungrad 208 weist auch zwei durchgehende Zugangsöffnungen 236 auf, deren Aufgabe darin besteht, Zugang zu den Gewindebohrungen 238 der Hohlwelle zu schaffen, deren Aufgabe wiederum in einem späteren Abschnitt genauer beschrieben ist. Die Achsen der Zugangsöffnungen 236 des Schwungrads sowie diejenigen der Gewindebohrungen 238 der Hohlwelle verlaufen jeweils senkrecht zur Drehachse 224 und senkrecht zueinander. Das Schwungrad 208 wird in einer Ausrichtung auf den Hohlwellendurchmesser 201 gedrückt, durch die die Achsen der Zugangsöffnungen 236 und diejenigen der Gewindebohrungen 238 miteinander ausgerichtet werden. Die Breite des Abstandshalters ist derart gewählt, daß sich die Ausrichtung der Durchgangsöffnungen 236 mit den Gewindebohrungen 238 ergibt, wenn das Schwungrad 208 eng an ihn angedrückt wird. Das Schwungrad 208 ist ebenfalls mit einem Wellenmitnahmeklebstoff befestigt. Ein zweiter Wellen-Abstandshalter 234, der mit dem Abstandshalter 230 vergleichbar ist, ist auf der Welle 200 installiert und sorgt für eine Trennung zwischen Schwungrad 208 und zweitem Kugellager 204.
Das Lager 204, das mit dem Lager 202 vergleichbar ist, wird am Durchmesser 201 derart an die Hohlwelle 200 angedrückt und mit dieser verbunden, daß es am Abstandshalter 234 anliegend sitzt. Der abnehmbare Gehäuseaufbau 206 wird dann zusammengefügt und eine Vorlast an die Lager 202 und 204 gelegt, um radiales Spiel zwischen den inneren und äußeren Laufringen der Lager zu eliminieren. Zur Aufbringung der Vorlast der Lager wird ein Wellenmitnahmeklebstoff auf den äußeren Durchmesser des Kugellagers 204 aufgebracht. Der zweite Gehäuseteil 222 wird dann derart mit dem ersten Gehäuseteil 218 zusammengefügt, daß die Ausrichtstifte 226 die zwei Hälften miteinander ausrichten. Mit Gewinde versehene Verbindungselemente 240 werden in mit entsprechenden Gewinden versehene Löcher 242 des ersten Gehäuseteils eingesetzt und gehen mit Gewindebohrungen 244 im zweiten Gehauseteil in Eingriff.
Zur Vorbelastung der Kugellager 202 und 204 werden entgegengesetzte Kräfte auf die äußeren Laufringe der Kugellager 202 und 204 angelegt, bis der Wellenmitnahmeklebstoff ausgehärtet ist. Die Vorbelastung ermöglicht, daß die zwei Kugellager wie ein Duplexlagerpaar wirken können, wodurch sich eine im Vergleich zu einem einzelnen Lager oder einer doppelten Lageranordnung ohne Vorbelastung erhöhte radiale und axiale Steifigkeit ergibt. Diese erhöhte Steifigkeit ist für eine Rückkopplung der genauen Winkelposition sowie der Geschwindigkeit von der Drehkodierscheibe und Leser 210 bzw. 212 wünschenswert. Die verwendete Vorbelastungskraft ist entsprechend den Empfehlungen von Kugellagerherstellern gewählt, d.h. es handelt sich um eine Kraft von 12 Pfund (U.S. pounds).
Die Nabe 250 der optischen Kodierscheibe ist abgestuft ringförmig und ihr kleinster Innendurchmesser 252 ist derart gewählt, daß sich mit dem Hohlwellendurchmesser 201 eine Preßpassung ergibt, und sie hat einen größeren Innendurchmesser 254, dessen Funktion darin besteht, Material abzutragen, um eine enge ringförmige Befestigungsschnittstelle mit der optischen Kodierscheibe 210 bereitzustellen. Der Außendurchmesser der Nabe 250 ist nicht größer als der Außendurchmesser des inneren Kugellager-Laufrings 228.
Die optische Kodierscheibe 210 ist eine dünne kreisförmige Scheibe mit den typischen Merkmalen einer optischen Kodierscheibe, die im Stand der Technik wohlbekannt sind. Die Scheibe 210 hat eine zentrale Durchgangsöffnung 258, deren Durchmesser derart gewählt ist, daß sich mit dem Hohlwellendurchmesser 2Ö3 eine Passung mit geringfügigem Spiel ergibt. Die Scheibe 210 ist derart auf dem Hohlwellendurchmesser 203 installiert und mit der Nabe 250 verbunden, daß die Merkmale der Scheibe mit der Drehachse 224 des Systems konzentrisch sind und senkrecht zu dieser verlaufen.
Der Aufbau 212 des optischen Kodierers/Lesers ist am Einstellelement 259 befestigt. Dieses Element 259 läßt sich einstellbar am zweiten Gehäuseteil 224 anbringen. Mit Gewinde versehene Verbindungselemente 260 verlaufen durch Durchgangsöffnungen 262 im Einstellelement und gehen mit Gewindebohrungen 264 im zweiten Gehäuseteil in Eingriff, um das Element an seiner Position festzuklemmen. Der optische Leser 212 läßt sich für eine optimale Leistung einstellen, indem unter Beobachtung des elektronischen Ausgangssignals des Kodierers die Verbindungselemente 260 leicht gelöst werden und die Scheibe 210 gedreht wird. Derartige Ausrichttechniken für Kodierer sind wohlbekannt. Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Aufbau 212 des optischen Kodierers/Lesers innerhalb des abnehmbaren Gehäuses 206 angeordnet.
Das Staubschutzgehäuse 270 hat die Form einer kreisförmigen Scheibe mit einer Rippe 272 an seinem äußersten Durchmesser und einer durch diese verlaufenden zentralen Bohrung 274. Der Durchmesser der zentralen Bohrung 274 ist derart gewählt, daß sich mit dem Hohlwellendurchmesser 205 eine Passung mit Spiel ergibt, er ist aber nicht größer als der Dichtungsdurchmesser der Wellendichtung 276. Die Wellendichtung 276 hat die Funktion, Verunreinigungen aus dem Gehäuse des optischen Kodierers fernzuhalten, und ihr Befestigungs-Innendurchmesser paßt mit dem Hohlwellendurchmesser 205 zusammen. Derartige Wellendichtungen sind ohne weiteres im Handel erhältlich. Das Maß der Tiefe der Rippe 272 ist derart gewählt, daß sich ein dichter Eingriff der Wellendichtung 276 mit dem Staubschutzgehäuse 270 ergibt. Das Staubschutzgehäuse 270 ist über mit Gewinde versehene Verbindungselemente 280 am zweiten Gehäuseteil 222 befestigt. Die Verbindungselemente 280 sind in schultergebohrten Durchgangsöffnungen 282 im Staubschutzgehäuse installiert und gehen mit Gewindebohrungen 244 im zweiten Gehäuseteil in Eingriff, wodurch sich eine Klemmkraft für den Zusammenbau ergibt.
Der voranstehend beschriebene Hohlwellenaufbau 12 ist nunmehr vollständig zusammengebaut und kann an einem Drehsystem angebracht werden. Zur Kopplung der Capstanwelle 16 mit dem Hohlwellenaufbau 12 und mit dem Ankeraufbau 50 des Gleichstrommotors stellt die Koppelwelle 18, die maschinell auf die Capstanwelle 16 aufgebracht ist, bestimmte Koppelmerkmale bereit. Diese Kopplung ist nachstehend beschrieben.
Die Koppelwelle 18 hat einen ersten Durchmesser 300, der größer als der Innendurchmesser 304 der Hohlwelle ist, jedoch nicht größer als der Außendurchmesser des inneren Kugellager- Laufrings 228. Der Durchmesser 300 hat den Zweck, daß er gegen das Kugellager 202 anliegt. Der Durchmesser 302 der Koppelwelle ergibt eine mechanische Kopplung mit dem Hohlwellenaufbau 12 und ist derart bemessen, daß sich mit dem Innendurchmesser 304 der Hohlwelle eine Passung mit sehr kleinem Spiel ergibt. Der Durchmesser 306 der Koppelwelle ergibt eine mechanische Kopplung mit der Ankernabe 54 des Gleichstrommotors und ist in seinem Durchmesser derart gewählt, daß sich mit der zentralen Bohrung 56 der Ankernabe eine Passung mit sehr kleinem Spiel ergibt.
Zum Zusammenfügen des Antriebssystems wird die Capstanwelle 16 zunächst derart eingesetzt, daß die Koppelwelle 18 durch die durch den Rahmen hindurchgehende Bohrung 400 verläuft. Im allgemeinen muß dies nicht der erste Schritt sein; für die Zwecke der vorliegenden Erfindung muß die Capstanwelle 16 jedoch aufgrund anderer zwingender Befestigungserfordernisse zuerst installiert werden. Der Durchmesser der durch den Rahmen hindurchgehenden Bohrung 400 ist derart gewählt, daß sich mit dem Außendurchmesser des Leitlagers 202 eine Passung mit geringfügigem Spiel ergibt. Die durch den Rahmen hindurchgehende Bohrung 400 wird zur Ausrichtung der Drehachse des Antriebsaufbaus 10 mit dem Drehachse der Capstanwelle 16 eingesetzt. Die Rahmenbefestigungsoberfläche 402 stellt eine Passoberfläche für die Befestigungsoberfläche 226 des Hohlwellenaufbaus dar und muß senkrecht zur Achse der Durchgangsbohrung 400 maschinell aufgebracht werden.
Der Hohlwellenaufbau 12 ist derart über die Koppelwelle 18 geführt, daß die Welle 18 durch die Hohlwelle 200 verläuft. Das Leitlager 202 wird in die durch den Rahmen hindurchgehende Bohrung 400 geführt. Mit Gewinde versehene Verbindungselemente 404 verlaufen durch Öffnungen 406 im Rahmen hindurch und gehen mit Gewindebohrungen 408 des ersten abnehmbaren Gehäuseteils in Eingriff, um eine Klemmkraft zur Befestigung des Hohlwellenaufbaus 12 am Rahmen 20 bereitzustellen.
Zur mechanischen Kopplung der Hohlwelle 200 mit der Koppelwelle 18 wird das Schwungrad 208 in eine Position gedreht, in der die Schwungrad-Zugangsöffnungen 236 mit Zugangsöffnungen 219 des ersten Gehäuseteils ausgerichtet sind. Die Capstanwelle 16 wird in eine Position gedreht, in der die Normal- oder Hochachse von zwei Koppelwellenflachstellen 30 mit der Achse der Gewindebohrungen 238 der Hohlwelle ausgerichtet ist. Die auf die Koppelwelle 18 maschinell aufgebrachten Flachstellen 30 haben Normal- oder Hochachsen, die jeweils senkrecht zur Drehachse 224 und senkrecht zueinander verlaufen. Mit Gewinde versehene Stellschrauben 410 mit flacher Klemmoberfläche 412 sind durch Zugangsöffnungen 219 und 236 hindurch eingesetzt und gehen mit Gewindebohrungen 238 in Eingriff, wodurch sich eine gegen die Flachstelle 30 wirkende Klemmkraft ergibt. Durch diesen Klemmvorgang wird die Koppelwelle 18 gegen den Innendurchmesser 304 der Hohlwelle gedrückt, woraus sich eine mechanische Kopplung der Capstanwelle 16 mit dem Schwungrad 208 und der Kodierscheibe 210 ergibt.
Zur Installierung des Gleichstrommotors 14 wird die Motorflußplatte 60 durch mit Gewinde versehene Verbindungselemente 420 am Staubschutzgehäuse 270 angebracht (siehe Fig. 5). Die Verbindungselemente 420 werden durch in der Flußplatte versenkte Öffnungen 422 hindurch eingesetzt (siehe Fig. 2) und gehen mit Gewindebohrungen 424 im Staubschutzgehäuse in Eingriff (siehe Fig. 1).
Der Ankeraufbau 50 wird über den Durchmesser 30ß auf die Koppelwelle 18 geführt, wodurch der Anker 52 in Richtung auf die Flußplatte 60 positioniert wird. Beilagelemente werden während des Zusammenbaus verwendet, um den korrekten Abstand zwischen dem Anker 52 und der Flußplatte 60 gemäß den Vorgaben der Motorenhersteller einzuhalten.
Die Nabe 54 wird in eine Position gedreht, in der die Normalachse der zwei Koppelwellen-Flachstellen 32 mit der Achse der Gewindebohrungen 58 ausgerichtet ist. Die auf der Koppelwelle 18 maschinell aufgebrachten Flachstellen 32 haben Normalachsen, die jeweils senkrecht zur Drehachse 224 und senkrecht zueinander verlaufen. Mit Gewinde versehene Stellschrauben 64 mit flacher Klemmoberfläche gehen mit Gewindebohrungen 58 in Eingriff, wodurch sich eine gegen die Flachstellen 32 wirkende Klemmkraft ergibt. Durch diesen Klemmvorgang wird die Ankernabe 54 gegen die Koppelwelle 18 gedrückt, wodurch sich eine mechanische Kopplung zwischen dem Motoranker 52 und der Capstanwelle 16 ergibt.
Der Motorstator 62 wird unter Verwendung von mit Gewinde versehenen Verbindungselementen 450 auf dem Staubschutzgehäuse 270 installiert. Die Verbindungselemente 450 (siehe Fign. 1 und 2) verlaufen durch Öffnungen 454 im Stator und Öffnungen 456 in der Flußplatte und gehen mit Gewindebohrungen 458 im Staubschutzgehäuse in Eingriff 1 wodurch sich eine für Befestigungszwecke ausnutzbare Klemmkraft ergibt.
Der voranstehend beschriebene Antriebsaufbau 10 ist mechanisch mit der Capstanwelle 16 gekoppelt und am Rahmen 20 befestigt. Nicht dargestellte elektronische Verbindungen liefern Strom an den Gleichstrommotor 14 und greifen auf ein Rückkopplungssignal vom Kodierer/Leser 212 zu. Ein an den Stator 62 angelegter Strom bewirkt eine Drehung des Ankers 50 aufgrund von zwischen diesen Elementen entstehenden elektromagnetischen Kräften. Der nunmehr mit der Koppelwelle 18 mechanisch gekoppelte Anker 50 dreht die mechanisch mit der Hohlwelle 200 gekoppelte Welle 18, wodurch des weiteren das Schwungrad 208, die Kodierscheibe 210 und die Capstanwelle 16 gedreht werden. Außerdem werden jedwede mechanisch mit der Capstanwelle 16 gekoppelte Vorrichtungen ebenfalls gedreht. Unter elektronischer Steuerung mit Regelschleife läßt sich die Drehbewegung regeln.
Die spezifischen Merkmale der vorliegenden Erfindung, die die grundlegende Torsionsresonanzfrequenz des Antriebs 10 gegenüber Antriebssystemen aus dem Stand der Technik erhöhen, sind vorwiegend auf die effektive Erhöhung des Wellendurchmessers zurückzuführen, die sich ergibt, wenn die Hohlwelle 200 mit der Koppelwelle 18 gekoppelt wird. Außerdem trägt die Verringerung der Länge der Welle, die sich aus dem Einsetzen des Lagers 204 in die Ausnehmung 209 des Schwungrads 208 ergibt, ebenfalls zur Erhöhung der Steifigkeit der Welle bei. Eine weitere Steigerung der Steifigkeit des Systems ergibt sich aus dem Anbringen der Kodierscheibe 210 zwischen dem Motor 14 und der Capstanwelle 16, da bei Antrieben aus dem Stand der Technik der Kodierer auf der gegenüberliegenden Seite des Motors 14 angeordnet ist, wodurch sich die Koppelwelle 18 verlängert. Ferner erhöht die Verwendung von zwei vorbelasteten Kugellagern die Steifigkeit des Systems, wodurch potentielle niederfrequente Torsionsresonanzen eliminiert werden. Schließlich wird mit der vorliegenden Erfindung eine herkömmliche Kopplung von Motor und Kodiererantriebswelle eliminiert, indem bei der vorliegenden Erfindung alle Systeme über die Koppelwelle 18 direkt mit der Capstanwelle 16 gekoppelt sind. Durch dieses Merkmal lassen sich die wohlbekannten, durch Torsionsresonanz bedingten Probleme, die bei Verwendung herkömmlicher, d.h. flexibler mechanischer Antriebswellenkopplungen auftreten, vermeiden.
Andere Modifikationen sind ebenfalls möglich, ohne vom Umfang der Erfindung, wie er in den nachstehenden Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

1. Integrierte Drehantriebsvorrichtung (10) mit:

(a) einer drehbaren Wellenvorrichtung (200) mit einer Längsdrehachse;

(b) einer ersten (202) und einer zweiten Lagervorrichtung (204) zum drehbaren Lagern der drehbaren Wellenvorrichtung (200);

(c) einem an der drehbaren Welle (200) befestigten Trägheits-Schwungrad (208);

(d) einer Anzeigevorrichtung (210) für die Drehbewegung;

(e) einer Vorrichtung zum Koppeln der drehbaren Wellenvorrichtung (200) mit einem angetriebenen Element (16);

(f) einer Elektromotorvorrichtung (14) zum Antrieb der drehbaren Wellenvorrichtung (200), des Trägheits- Schwungrads (208), der Anzeigevorrichtung (210) für die Drehbewegung und des angetriebenen Elements (16), wobei die Elektromotorvorrichtung (14) einen Rotor (50) sowie einen Stator (62) hat, welcher nichtdrehbar an einem Rahmenglied (20) befestigt wird, wenn die erste (202) und die zweite Lagervorrichtung (204) am Rahmenglied (20) angebracht werden;

(g) einer Vorrichtung zur Anbringung der ersten (202) und der zweiten Lagervorrichtung (204) am Rahmenglied (20); und

(h) einer auf die Anzeigevorrichtung (210) für die Drehbewegung ansprechende Vorrichtung (212), wobei die Ansprechvorrichtung (212) nichtdrehbar am Rahmenglied (20) befestigt wird, wenn die erste (202) und die zweite Lagervorrichtung (204) am Rahmenglied (20) angebracht werden;

dadurch gekennzeichnet, daß

die drehbare Wellenvorrichtung (200) einen hohlen Abschnitt aufweist, der sich zumindest über die Strecke zwischen und einschließlich der ersten (202) und der zweiten Lagervorrichtung (204) entlang ihrer Längsdrehachse erstreckt;

wobei das angetriebene Element (16) einen drehbaren Wellenabschnitt (18) aufweist, der sich im Inneren des hohlen Abschnitts der drehbaren Wellenvorrichtung (200) befindet, wodurch der drehbare Wellenabschnitt (18) des angetriebenen Elements über den hohlen Abschnitt der drehbaren Wellenvorrichtung (200) hinaus verläuft;

wobei der Rotor (50) der Elektromotorvorrichtung (14) an der Verlängerung des drehbaren Wellenabschnitts (18) des angetriebenen Elements befestigt ist; und

das Trägheits-Schwungrad (208) an der drehbaren Wellenvorrichtung (200) an einer Stelle zwischen der ersten (202) und der zweiten Lagervorrichtung (204) befestigt ist.

2. Integrierte Drehantriebsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Anzeigevorrichtung (210) für die Drehbewegung an der drehbaren Wellenvorrichtung (200) befestigt ist.

3. Integrierte Drehantriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin gekennzeichnet durch:

eine abtrennbare Umschließungsvorrichtung (206) mit einem ersten Umschließungsabschnitt (218) mit einer ersten, durch diesen hindurchgehenden Bohrung (216) und einem zweiten Umschließungsabschnitt (222) mit einer zweiten, durch diesen hindurchgehenden Bohrung (220), wobei der erste (218) und der zweite Umschließungsabschnitt (222) eine Vorrichtung (226) für die Lagegenauigkeit aufweisen, um die erste (216) und die zweite durchgehende Bohrung (220) entlang einer gemeinsamen Achse auszurichten.

4. Integrierte Drehantriebsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei

die drehbare Wellenvorrichtung (200) durch die erste (216) und die zweite (220) durchgehende Bohrung hindurch verläuft.

5. Integrierte Drehantriebsvorrichtung nach Anspruch 4, wobei

die erste (202) und die zweite Lagervorrichtung (204) innerhalb der ersten (216) bzw. der zweiten durchgehenden Bohrung (220) angeordnet sind.

6. Integrierte Drehantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, weiterhin gekennzeichnet durch:

eine Vorrichtung (404) zur Befestigung der abtrennbaren Umschließungsvorrichtung (206) am Rahmenglied ((20).

7. Integrierte Drehantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei das Trägheits-Schwungrad (208) derart auf der drehbaren Wellenvorrichtung (200) gelagert ist, daß es sich innerhalb der abtrennbaren Umschließungsvorrichtung (206) befindet.

8. Integrierte Drehantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die Anzeigevorrichtung (210) für die Drehbewegung innerhalb der abtrennbaren Umschließungsvorrichtung (206) angeordnet ist.

9. Integrierte Drehantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei die auf die Anzeigevorrichtung (210) für die Drehbewegung ansprechende Vorrichtung (212) innerhalb der abtrennbaren Umschließungsvorrichtung (206) angeordnet ist.