WO2010083979A1

WO2010083979A1 - Elektrodynamischer lineardirektantrieb

Info

Publication number: WO2010083979A1
Application number: PCT/EP2010/000283
Authority: WO
Inventors: Tom Unger
Original assignee: Festo Ag & Co. Kg
Priority date: 2009-01-22
Filing date: 2010-01-19
Publication date: 2010-07-29
Also published as: EP2380265A1; KR20110118617A; CN102265491A; DE102009005675A1; TW201031833A; DE102009005675B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrodynamischen Lineardirektantrieb mit einem längserstreckten Basiselement (12), das wenigstens zwei sich längs einer Hauptachse (18) erstreckende Führungsmittel (16) aufweist, sowie mit einem Schlitten (14), der in Achsrichtung der Hauptachse (18) linearbeweglich am Basiselement (12) gelagert ist und der einen Schlittenkörper (24) mit wenigstens zwei zur Kraftübertragung auf die Führungsmittel (16) dienenden Führungseinrichtungen (26, 27) umfasst, die die Übertragung einer Vorspannkraft auf das Basiselement (12) ermöglichen, sowie mit einer vom Schlitten (14) getragenen elektrodynamischen Antriebseinheit (72), die zur Bereitstellung einer Antriebskraft für eine lineare Bewegung des Schlittens (14) längs des Basiselements (12) ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Schlittenkörper (24) einen ersten Schlittenabschnitt (38) mit einer ersten Führungseinrichtung (26) und einen separat ausgeführten zweiten Schlittenabschnitt (40) mit einer zweiten Führungseinrichtung (27) aufweist, wobei die beiden Schlittenabschnitte (38, 40) von einer Koppeleinrichtung (58) miteinander verbunden sind und der Schlittenkörper (24) und die Koppeleinrichtung (58) verschiedene thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, um die Vorspannkraft zwischen Schlitten (14) und Basiselement (12) zumindest im Wesentlichen konstant halten zu können.

Description

Elektrodynamischer Lineardirektantrieb

Die Erfindung betrifft einen elektrodynamischen Lineardirektantrieb mit einem längserstreckten Basiselement, das wenigstens zwei sich längs einer Hauptachse erstreckende Führungsmittel aufweist, sowie mit einem Schlitten, der in Achsrich- 5 tung der Hauptachse linearbeweglich am Basiselement gelagert ist und der einen Schlittenkörper mit wenigstens zwei zur Kraftübertragung auf die Führungsmittel dienenden Führungs- einrichtungen umfasst, wobei zwischen den Führungsmitteln und den Führungseinrichtungen jeweils wenigstens ein Führungskör- lo per angeordnet ist, der eine reibungsarme Relativbewegung des Schlittens gegenüber dem Basiselement ermöglicht und der mit einer vom Schlittenkδrper auf das Basiselement ausgeübten Vorspannkraft beaufschlagt ist, sowie mit einer vom Schlitten getragenen elektrodynamischen Antriebseinheit, die zur Be- i5 reitstellung einer Antriebskraft für eine lineare Bewegung des Schlittens längs des Basiselements ausgebildet ist .

Derartige Lineardirektantriebe werden beispielsweise in der Automatisierungstechnik eingesetzt, insbesondere um Werkzeuge oder Werkstücke linear mit hoher Bewegungsdynamik und hoher

2o Positionierungsgenauigkeit zu bewegen. Dabei wird der Schlitten aufgrund der Wechselwirkung dynamischer Magnetfelder, die von der elektrodynamischen Antriebseinheit bei Beaufschlagung mit elektrischer Energie erzeugt werden, mit statischen Magnetfeldern von Permanentmagneten, die dem Basiselement zuge-

25 ordnet sind, linear zum schienenförmig ausgebildeten Basis- element verschoben. Um eine reibungsarme Linearbeweglichkeit des Schlittens gegenüber dem Basiselement zu gewährleisten, sind zwischen den Führungseinrichtungen des Schlittens und den Führungsmitteln des Basiselements Führungskörper, bei- spielsweise Gleitkörper oder Wälzkörper, angeordnet. Um eine spielarme Führung des Schlittens am Basiselement gewährleisten zu können, sind der Schlitten, die Führungseinrichtungen und das Basiselement derart aufeinander abgestimmt, dass die Führungseinrichtungen mit einer vom Schlitten auf das Basis - element ausgeübten Vorspannkraft beaufschlagt sind. Problematisch ist hierbei, dass die Vorspannkraft in einem engen Bereich angesiedelt sein muss. Bei zu geringer Vorspannkraft tritt eine zu lose Führung des Schlittens auf, bei zu hoher Vorspannkraft kann sich der Schlitten am Basiselement ver- klemmen und rasch verschleißen, was zu einer geringen Lebenserwartung des Lineardirektantriebs führt . Die Einhaltung der Vorspannkraft wird dadurch erschwert, dass sich die elektrodynamische Antriebseinheit während des Betriebs des Lineardirektantriebs erwärmt und diese Erwärmung zu einer Erwärmung und Ausdehnung des Schlittenkörpers führt . Da üblicherweise aufgrund der direkten Kopplung von Antriebseinheit und Schlittenkörper die Erwärmung des Schlittenkörpers erheblich größer als die Erwärmung des Basiselements ist, kann durch die Ausdehnung des Schlittenkörpers ein unerwünschter Ein- fluss auf die Vorspannkraft zwischen Schlittenkörper und Basiselement auftreten.

Aus der DE 103 09 880 Al ist ein Linearmotor bekannt, bei dem ein Spulenteil zur Bereitstellung von Magnetkräften längs einer Magnetbahn verschiebbar ausgebildet ist . Das Spulenteil ist an einer Trägerplatte aufgenommen, die ihrerseits schiebebeweglich an seitlich an der Magnetbahn angebrachten Führungsschienen geführt ist. Die Trägerplatte ist mehrschichtig aufgebaut, wobei eine dem Spulenteil abgewandte Oberseite der Trägerplatte aus einer Schicht mit hoher Wärmedehnung und eine dem Spulenteil zugewandte Unterseite der Trägerplatte aus einer Schicht mit geringer Wärmedehnung hergestellt ist. Die Magnetbahn ist mit einer Vielzahl von Permanentmagneten ausgestattet, die mit dem Spulenteil in magnetische Wechselwirkung treten können, um bei entsprechender Bestromung und daraus resultierender Magnetisierung des Spulenteils die gewünschte Linearbewegung des Spulenteils gegenüber der Magnet - bahn zu ermöglichen. Die bei der magnetischen Wechselwirkung zwischen Spulenteil und Magnetbahn auftretenden Kräfte können eine erhebliche Durchbiegung der Trägerplatte bewirken. Diese Durchbiegung soll durch die inneren Spannungen in der Trägerplatte, die durch die unterschiedlichen Wärmedehnungen der Oberseite und der Unterseite der Trägerplatte hervorgerufen werden, bei Betriebstemperatur des Linearmotors zumindest teilweise kompensiert werden.

Die DE 103 92 882 T5 offenbart einen Lineardirektantrieb, bei dem eine Einrichtung zur Wärmeisolierung zwischen dem elekt- rodynamischen Antriebssystem und dem Schlittenkörper angeordnet ist .

Bei dem aus der WO 2005/112232 Al bekannten Lineardirektantrieb ist der Linearläufermotor über wenigstens ein Distanzelement mit dem als mobilen Montageteil bezeichneten Schlit- tenkörper verbunden, um dadurch eine thermische und mechanische Entkopplung zwischen Linearläufermotor und Schlittenkörper zu erreichen.

Aus der DE 100 35 364 Al ist eine lineare Bewegungseinrichtung bekannt, bei der ein schienenartig ausgebildetes Basis- element von einem rohrabschnittsförmigen Läufer umgeben ist. Der Läufer weist mehrere Führungsblöcke auf, die an dem Ba- siselement anliegen und jeweils als Kugelumlaufeinheit ausgebildet sind. Zum Ausgleich von mechanischen Toleranzen und von thermisch bedingten Ausdehnungsunterschieden, wie sie bei der Erwärmung oder Abkühlung der Bewegungseinrichtung auftre- ten können, sind einige der Führungsblöcke an blattfederartigen elastischen Trägern beweglich aufgehängt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Lineardirektantrieb zu schaffen, bei dem innerhalb des Betriebstemperaturbereichs des Lineardirektantriebs von 20 Grad Celsius bis 120 Grad Celsius eine möglichst konstante Vorspannkraft zwischen Schlittenkörper und Basiselement gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Lineardirektantrieb der eingangs genannten Art gelöst, bei dem der Schlittenkörper einen ersten Schlittenabschnitt mit einer ersten Führungseinrich- tung und einen separat ausgeführten zweiten Schlittenabschnitt mit einer zweiten Führungseinrichtung aufweist, wobei die beiden Schlittenabschnitte von einer Koppeleinrichtung miteinander verbunden sind und der Schlittenkörper und die Koppeleinrichtung voneinander verschiedene thermische Ausdeh- nungskoeffizienten aufweisen und wobei die Koppeleinrichtung den Führungseinrichtungen derart zugeordnet ist, dass die vom Schlittenkörper auf die Führungsmittel ausgeübte Vorspannkraft in dem Betriebstemperaturbereich der elektrodynamischen Antriebseinheit zumindest im Wesentlichen konstant ist.

Durch diese Maßnahmen weist der Schlitten gegenüber dem Basiselement in dem Betriebstemperaturbereich des Lineardirektantriebs, der beispielsweise in einem Temperaturbereich von 20 Grad Celsius bis 120 Grad Celsius angesiedelt sein kann, eine im Wesentlichen konstante Vorspannkraft und somit kein Spiel auf. Dadurch wird eine exakte Positionierung der mit dem Lineardirektantrieb gekoppelten Werkzeugträger oder Werk- stückträger begünstigt, was insbesondere bei der Verwendung des Lineardirektantriebs als Antrieb für Handlingeinheiten, Werkzeugmaschinen oder Bearbeitungszentren von großem Interesse ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn sich aufgrund der in die Antriebseinheit eingespeisten elektrischen Energie der Schlitten erwärmt, während das Basiselement im Wesentlichen eine konstante Temperatur aufweist.

Die Koppeleinrichtung ist als separates Bauteil ausgebildet und ist den Schlittenabschnitten derart zugeordnet, dass sie bei Erwärmung des Schlittens einer auftretenden Ausdehnung der Schlittenabschnitte entgegenwirkt. Somit gewährleistet die Koppeleinrichtung in Wirkverbindung mit den beiden jeweils separat ausgeführten Schlittenabschnitten, dass der Abstand und damit die Vorspannkraft zwischen den jeweils den Schlittenabschnitten zugeordneten Führungseinrichtungen, die über die Führungskörper und die Führungsmittel mit dem Basis - element in Wirkverbindung stehen, konstant ist.

Für die Kompensation der wärmebedingten Ausdehnung des Schlittenkörpers ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Koppeleinrichtung zumindest teilweise aus einem Material hergestellt ist, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der von einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials abweicht, aus dem der Schlittenkörper zumindest überwiegend hergestellt ist. Beispielsweise können die beiden Schlittenabschnitte des Schlittenkörpers zumindest teilweise aus Aluminium hergestellt sein, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient bei 0, 000023/Kelvin liegt. Die Koppeleinrichtung kann beispielsweise zumindest teilweise aus Stahl hergestellt werden, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient bei 0 , 000013/Kelvin angesiedelt ist. Durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Schlittenkörpers und der Koppeleinrichtung kann beispielsweise eine ge- zielte Relativbewegung der Schlittenabschnitte zueinander bewirkt werden. Diese Relativbewegung ist derart ausgelegt, dass bei einer erwärmungsbedingten Ausdehnung oder einer abkühlungsbedingten Schrumpfung der Bauteile des Schlittens der Abstand zwischen den Führungseinrichtungen und somit die Vorspannkraft auf die Führungskörper im Wesentlichen konstant bleibt.

Dabei ist vorteilhaft, dass die beiden Schlittenabschnitte als separate Bauteile ausgebildet sind. Die beiden Schlitten- teile können beispielsweise mittels einer geeigneten Linearführung schiebebeweglich und/oder mittels wenigstens eines Schwenkgelenks gelenkig miteinander verbunden sein. Vorzugsweise ist das erste Schlittenteil frei beweglich am zweiten Schlittenteil gelagert, so dass zwischen den beiden Schlit- tenteilen stets die gleichen, durch die Vorspannkraft bedingten und von der Koppeleinrichtung ausgeübten inneren Spannungen im Schlittenkörper vorliegen. Das erste Schlittenteil ist mit dem zweiten Schlittenteil über die Koppeleinrichtung zwangsgekoppelt, so dass die Koppeleinrichtung als Führungs- einrichtung des ersten Schlittenteils gegenüber dem zweiten Schlittenteil dient und damit eine korrekte Ausrichtung der Schlittenteile gegenüber dem Basiselement sicherstellt.

Bevorzugt ist die Koppeleinrichtung mit einem ersten Gelenk am ersten Schlittenabschnitt gelenkig angebracht und/oder mit einem zweiten Gelenk am zweiten Schlittenabschnitt gelenkig angebracht . Das Gelenk dient zur Kraftübertragung zwischen Koppeleinrichtung und Schlittenabschnitt und ermöglicht innerhalb eines vorgebbaren Schwenkbereichs eine zumindest im Wesentlichen freie Ausrichtung der Koppeleinrichtung gegen- über dem oder den Schlittenteilen. Bei dem Gelenk handelt es sich beispielsweise um ein Zapfengelenk, bei dem ein Gelenk- zapfen frei drehbar in eine korrespondierende Bohrung eingreift .

Zweckmäßig ist es, wenn der Schlittenkörper das Basiselement umgreift und die an den Schlittenabschnitten angebrachten Führungseinrichtungen einander gegenüberliegend angeordnet sind. Der Schlittenkörper kann beispielsweise in einer Querschnittsebene, die senkrecht zur Hauptachse des Basiselements ausgerichtet ist, einen U-förmigen Querschnitt aufweisen, wobei die Führungseinrichtungen an den beiden Schenkeln des U-förmigen Querschnitts angeordnet sind. Vorzugsweise greifen die Führungseinrichtungen in hinterschnittene Bereiche des Basiselements ein, in denen die Führungsmittel angeordnet sind, wodurch sich zumindest in einer oder in zwei Raumrichtungen eine formschlüssige Verbindung zwischen Schlitten und Basiselement ergibt. Durch das Umgreifen des Basiselements wird einerseits eine sichere Lagerung des Schlittens am Basiselement gewährleistet, andererseits kann das Basiselement besonders kompakt gestaltet werden. Die einander gegenüberliegenden Führungseinrichtungen stellen eine vorteilhafte Kraftübertragung zwischen dem aus den Schlittenabschnitten gebildeten Schlittenkörper und dem Basiselement sicher.

Bei einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Basiselement den Schlittenkörper umgreift und die Führungseinrichtungen spiegelsymmetrisch zu einer die Mittelachse enthaltenden Spiegelebene an den Schlittenabschnitten angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform können sowohl das Basiselement als auch der Schlittenkörper in einer senkrecht zur Hauptachse ausgerichteten Querschnittsebene ei- nen U-förmigen Querschnitt aufweisen. Die Führungseinrichtungen sind vorzugsweise an den einander entgegengesetzten Außenoberflächen der Schenkel des Schlittenkörpers angeordnet und stützen sich an den einander zugewandten Oberflächen der Schenkel des Basiselements ab.

Vorteilhaft ist es, wenn die Koppeleinrichtung ein Koppelglied utnfasst, dessen Haupterstreckungsrichtung zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Hauptachse verläuft und das sich, vorzugsweise mit minimaler Längenausdehnung, zwischen den Schlittenabschnitten erstreckt. Das Koppelglied ist vorzugsweise das Element innerhalb der Koppeleinrichtung, dessen Längenänderung bei Erwärmung oder Abkühlung des Schlittens zur Kompensation der temperaturbedingten Gestaltänderung des Schlittenkörpers dient. Eine Ausdehnung des Schlittenkörpers in Richtung der Hauptachse hat keinen Einfluss auf die zwischen Schlitten und Basiselement übertragene Vorspannkraft. Die Ausdehnung des Schlittenkörpers in einer Richtung senk- recht zur Hauptachse und zumindest im Wesentlichen parallel zu einer Verbindungslinie zwischen gegenüberliegenden Führungseinrichtungen ist hingegen maßgeblich für die Vorspannkraft zwischen Schlitten und Basiselement. Bei einer Ausrichtung des, vorzugsweise stabförmig ausgebildeten, Koppelglieds parallel zur Verbindungslinie zwischen gegenüberliegenden

Führungseinrichtungen kann eine kompakte Gestaltung der Koppeleinrichtung und eine wirkungsvolle Kompensation der Wärmeausdehnung des Schlittenkörpers erreicht werden.

Bevorzugt ist das Koppelglied zwischen dem Schlittenkörper und dem Basiselement angeordnet und weist einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Material des Schlittenkörpers auf. Durch die Anordnung des Koppelglieds zwischen Schlittenkörper und Basiselement kann eine besonders kompakte Integration der Koppeleinrichtung am Schlitten er- reicht werden. Die Ausführung des Koppelglieds mit einem geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der Schlittenkörper gewährleistet die gewünschte Kompensation der Aus- dehnung des Schlittenkörpers bei Erwärmung des Schlittens und die Aufrechterhaltung der Vorspannkraft zwischen Schlittenkörper und Basiselement über den Betriebstemperaturbereich des Lineardirektantriebs .

Zweckmäßig ist es, wenn wenigstens ein freies Ende des Koppelglieds zwischen zwei Endbereichen eines Stützglieds angelenkt ist, wobei ein erster Endbereich des Stützglieds mit dem ersten Schlittenabschnitt gekoppelt ist oder an einer Anlagefläche des ersten Schlittenabschnitts anliegt und wobei ein zweiter Endbereich des Stützglied mit dem zweiten Schlittenabschnitt gekoppelt ist oder an einer Anlagefläche des zweiten Schlittenabschnitts anliegt. Das Koppelglied bildet zusammen mit dem Stützglied ein Hebelgetriebe aus, das derart eingerichtet ist, dass die wärmebedingte Ausdehnung des Schlittenkörpers und die wärmebedingte Ausdehnung des Koppel - glieds zu einer Verkippung des Stützglieds führen. Durch die Verkippung des Stützglieds wird eine erwärmungsbedingte Relativbewegung zwischen dem ersten und dem zweiten Schlittenabschnitt bewirkt, die der thermisch bedingten Ausdehnungs- oder Schrumpfungsbewegung des Schlittens entgegengesetzt ist, so dass dadurch die gewünschte Kompensation der wärmebedingten Ausdehnung oder Schrumpfung des Schlittenkörpers ermöglicht wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind das Koppelglied und/oder das Stützglied mit einer Einstelleinrichtung versehen, die zur Einstellung der Vorspannkraft zwischen Schlitten und Basiselement ausgebildet ist. Die Einstelleinrichtung ermöglicht eine Justierung der Vorspannkraft, so dass fertigungsbedingte Toleranzen des Schlittens und des Basiselements und/oder anwendungsbedingte Toleranzanforderungen berücksichtigt werden können. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Einstelleinrichtung an einem Endbereich des Stützglieds ausgebildet. Dadurch werden eine konstruktiv einfache Gestaltung und eine gute Zugänglichkeit der Einstelleinrichtung gewähr- leistet.

Bevorzugt weist die Einstelleinrichtung eine Stellschraube auf, die beweglich im Stützglied gelagert ist und die an der Anlagefläche des ersten oder des zweiten Schlittenabschnitts anliegt, wobei die Stellschraube für eine Einstellung der Vorspannkraft ausgebildet ist. Mit der Stellschraube wird die Ausrichtung des Stützglieds gegenüber dem Koppelglied und damit die gewünschte Vorspannkraft zwischen Schlittenkörper und Basiselement eingestellt.

Zweckmäßig ist es, dass zwischen Koppelglied und Schlitten- körper ein Luftspalt ausgebildet ist. Dadurch ist die freie Beweglichkeit des Koppelglieds gegenüber dem Schlittenkörper gewährleistet, um zusätzliche innere Spannungen zwischen Koppeleinrichtung und Schlittenkörper zu vermeiden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in Achsrichtung des Basiselements wenigstens zwei voneinander beabstandete Koppeleinrichtungen am Schlittenkörper angeordnet sind. Vorteilhaft ist es, wenn an einander entgegengesetzten stirnseitigen Endbereichen des Schlittenkörpers jeweils eine Koppeleinrichtung angeordnet ist. Dadurch wird ei- ne symmetrische Einleitung der von den Koppeleinrichtungen auf die Schlittenteile einwirkenden Kräfte gewährleistet.

Vorteilhaft ist es, wenn der Führungskörper als Lagerwalze ausgebildet ist, die für eine Abwälzbewegung auf den beispielsweise als Führungsflächen ausgebildeten Führungsmitteln dient . Damit kann eine reibungsarme und spielarme Führung des Schlittens am Basiselement erreicht werden. Alternativ kann der Führungskörper auch ein Gleitkörper sein, der auf den Führungsmitteln gleiten kann. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Führungskörper eine Mehrzahl von Wälzkörpern, die in der Art einer Kugelumlaufführung ge- fasst sind. Auch Kombinationen derartiger Führungskörper können verwirklicht werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt:

Figur 1 eine perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung eines elektrodynamischen Lineardirektantriebs mit zwei jeweils endseitig an den Schlittenteilen angeordneten Koppeleinrichtungen,

Figur 2 eine stirnseitige Ansicht des Lineardirektantriebs gemäß der Figur 1, und

Figur 3 eine perspektivische Darstellung der Koppeleinrichtung für den Lineardirektantrieb gemäß der Figuren 1 und 2.

Ein in der Figur 1 dargestellter Lineardirektantrieb 10 um- fasst ein schienenartiges, geradlinig langgestrecktes Basiselement 12 und einen linearbeweglich auf dem Basiselement 12 angeordneten Schlitten 14.

Das vorzugsweise als Strangpressteil aus Aluminium hergestellte Basiselement 12 weist mehrere, vorzugsweise ebene, beispielsweise als Führungsflächen ausgebildete Führungsmittel 16 auf, die zweckmäßigerweise aus bandförmigem Stahlblech hergestellt sind, um die verschleißarme Kraftübertragung zwischen Schlitten 14 und Basiselement 12 zu gewährleisten. Die Führungsmittel 16 stützen sich flächig am Basiselement 12 ab und sind exemplarisch jeweils paarweise V-förmig zueinander ausgerichtet, wobei sie beispielsweise einen rechten Winkel einschließen können. Die Führungsmittel 16 sind an einander entgegengesetzten Seitenflächen des Basiselements 12 derart angeordnet, dass sich eine X- förmige Anordnung der Führungs- mittel 16 ergibt, wodurch die Führungsmittel 16 jeweils paarweise einen Hinterschnitt bilden, in den der Schlitten 14 formschlüssig eingreift .

Die Führungsmittel 16 erstrecken sich parallel zu einer in Längsrichtung des Basiselements 12 ausgerichteten Hauptachse 18 des Basiselements 12. Vorteilhaft ist es, wenn die Führungsmittel 16 in korrespondierend ausgeführten Ausnehmungen des Basiselements 12 oberflächenbündig eingelassen sind.

An einer Oberseite des Basiselements 12 ist eine Längsnut 20 ausgebildet, in der im Wesentlichen kubisch ausgebildete Permanentmagnete 22 aufgereiht und festgelegt sind. An einer Unterseite des Basiselements 12 sind nicht näher bezeichnete T- Nuten angebracht, die zur Festlegung des Basiselements 12 an einem nicht dargestellten Maschinenbett, beispielsweise einer Werkzeugmaschine, dienen.

Der beweglich am Basiselement 12 angebrachte Schlitten 14 um- fasst einen zweiteilig ausgebildeten Schlittenkörper 24, der einen im Wesentlichen U- förmigen Querschnitt aufweist und der das Basiselement 12 reiterartig umgreift. Um eine spiel- und reibungsarme schiebebewegliche Führung des Schlittens 14 am Basiselement 12 zu gewährleisten, sind dem Schlittenkörper 24 mehrere, jeweils zur Anlage an einer der Führungsmittel 16 dienende Führungseinrichtungen 26, 27 zugeordnet. Die Füh- rungseinrichtungen 26, 27 sind in der Figur 2 näher dargestellt und greifen in die hinterschnitten angeordneten Füh- rungsmittel 16 des Basiselements 12 derart formschlüssig ein, dass der Schlitten 14 gegenüber dem Basiselement 12 lediglich einen einzigen translatorischen Freiheitsgrad der Bewegung aufweist .

s Jede der Führungseinrichtungen 26, 27 umfasst jeweils ein haubenartig ausgebildetes Walzengehäuse 34, das mit einer bereichsweise konvex ausgebildeten Außenfläche 34 an einer bereichsweise rinnenartig ausgebildeten Stützfläche 28, 30 des Schlittenkörpers 24 anliegt. Dadurch wird eine Verschwenkbar- lo keit des Walzengehäuses 34 um eine nicht dargestellte, orthogonal zur Zeichnungsebene der Figur 2 ausgerichtete Schwenkachse mit einem Schwenkwinkelbereich von wenigen Grad gewährleistet. Durch die Verschwenkbarkeit des Walzengehäuses 34 und der darin aufgenommenen Lagerwalze 36 gegenüber dem i5 Schlittenkörper 24 und den Führungsmitteln 16 kann sich die Lagerwalze 36 an die Ausrichtung der Oberfläche des Führungsmittels 16 anpassen, wodurch eine reibungsarme Kraftübertragung zwischen Schlitten 14 und Basiselement 12 begünstigt wird.

20 Die Lagerwalze 36 ist drehbar auf einem im Walzengehäuse 34 vorgesehenen Lagerbolzen 37 gelagert und liegt mit ihrer Außenoberfläche an den Führungsmitteln 16 an, auf denen sie bei Bewegung des Schlittens 14 abwälzen kann. Die Führungseinrichtungen 26, 27 sind jeweils paarweise angeordnet, wobei

25 die Rotationsachsen der Lagerwalzen 36 jeweils benachbarter Führungseinrichtungen 26 um 90 Grad zueinander versetzt angeordnet sind. Dadurch ergibt sich ein formschlüssiger Eingriff der Führungseinrichtungen 26, 27 in das Basiselement 12, womit eine spielfreie Lagerung des Schlittens 14 am Basisele-

3o ment 12 erreicht wird. Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist die Führungseinrichtung als Kugelumlaufeinrichtung ausgebildet, bei der eine Vielzahl von Kugeln in einem Kugelkanal geführt wird und für eine Abwälzbewegung auf den Führungsmit- teln 16 vorgesehen ist. Alternativ kann die Führungseinrichtung auch als Gleitkörper ausgebildet sein, der für eine Gleitbewegung auf den Führungsmitteln 16 ausgebildet ist.

Der in den Figuren 1 und 2 näher dargestellte, zweiteilig ausgebildete Schlittenkörper 24 umfasst zwei separat ausge- bildete Schlittenabschnitte 38, 40. Der erste Schlittenabschnitt 38 weist ein in der Figur 2 näher dargestelltes U- förmiges Profil mit einem längeren Schenkel 42 und einem kürzeren Schenkel 44 auf. Der längere Schenkel 42 ist an einem freien Endbereich mit einer V-förmigen Profilierung versehen, an deren Oberflächen die Stützflächen 28, 30 ausgebildet sind. Der kürzere Schenkel 44 ist mit dem längeren Schenkel 42 einteilig über einen Verbindungssteg 46 verbunden und weist eine dem zweiten Schlittenabschnitt 40 zugewandte Führungsfläche 48 auf. An der Führungsfläche 48 ist ein in Rich- tung des zweiten Schlittenabschnitts 40 abragendes T-Profil 50 ausgebildet. Das T-Profil 50 des ersten Schlittenabschnitts 38 greift in eine am zweiten Schlittenabschnitt 40 ausgebildete T-Nut 52 ein. Das T-Profil 50 und die T-Nut 52 sind derart aufeinander abgestimmt, dass der zweite Schiit - tenabschnitt 40 translatorisch parallel zur Führungsfläche 48 gegenüber dem ersten Schlittenabschnitt 38 bewegt werden kann, wobei durch nicht näher dargestellte Blockiermittel eine Bewegung senkrecht zur Darstellungsebene der Figur 2 unterbinden wird. Durch die verbleibende translatorische ReIa- tivbeweglichkeit wird eine lineare Abstandseinstellung zwischen den Führungseinrichtungen 26, die dem ersten Schlittenabschnitt 38 zugeordnet sind, und den Führungseinrichtungen 27, die dem zweiten Schlittenabschnitt 40 zugeordnet sind, ermöglicht .

Der zweite Schlittenabschnitt 40 ist im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet und ist in gleicher Weise wie der erste Schlittenabschnitt 38 mit einer V-förmigen Profilierung versehen, an deren Oberflächen rinnenartig profilierte Stützflächen 54, 56 ausgebildet sind. An den Stützflächen 54, 56 stützen sich die jeweils paarweise angeordneten Führungseinrichtungen 27 ab, deren Lagerwalzen 36 jeweils um 90 Grad versetzt angeordnete Rotationsachsen aufweisen.

Um eine Vorspannkraft vom Schlitten 14 auf das Basiselement 12 übertragen zu können, sind die beiden zueinander relativbeweglichen Schlittenabschnitte 38, 40 von einer Koppeleinrichtung 58 kraftübertragend miteinander verbunden. Die Auf- gäbe der Koppeleinrichtung 58 besteht darin, den Abstand und somit die Vorspannkraft zwischen den Schlittenabschnitten 38, 40 und den daran abgestützten Führungseinrichtungen 26, 27 vorzugeben und innerhalb eines Betriebstemperaturbereichs des Lineardirektantriebs 10 zumindest im Wesentlichen konstant zu halten. Zu diesem Zweck umfasst die Koppeleinrichtung 58 ein in der Figur 3 näher dargestelltes, vorzugsweise stabförmig ausgebildetes Koppelglied 60, das sowohl mit dem ersten Schlittenabschnitt 38 als auch mit einem Stützglied 62 gelenkig verbunden ist. Das Koppelglied 60 erstreckt sich im We- sentlichen orthogonal zur Hauptachse 18 und parallel zum Verbindungssteg 46 des ersten Schlittenabschnitts 38, der den längeren Schenkel 42 mit dem kürzeren Schenkel 44 des ersten Schlittenabschnitts 38 verbindet. Das Koppelglied 60 ist an einem ersten Endbereich mit einem ersten Gelenkzapfen 64 ver- sehen, der in eine nicht näher dargestellte Bohrung im ersten Schlittenabschnitt 38 kraftübertragend eingreift und eine Schwenkbeweglichkeit des Koppelglieds 60 gegenüber dem ersten Schlittenteil 38 sicherstellt. An einem zweiten Endbereich ist das Koppelglied 60 mit einem zweiten Gelenkzapfen 66 schwenkbeweglich mit dem Stützglied 62 gekoppelt. Das Stütz - glied 62 weist an einem ersten Endbereich einen Lagerzapfen 68 auf, der für einen schwenkbeweglichen Eingriff in das zweite Schlittenteil 40 vorgesehen ist. An einem zweiten Endbereich ist das Stützglied 62 mit einer exemplarisch als Innensechskantschraube ausgebildeten Einstelleinrichtung 70 ausgerüstet, die gemäß der Figuren 1 und 2 an einer Anlage- fläche des Verbindungsstegs 46 anliegt.

Bei der dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist das Koppelglied 60 zwischen dem Verbindungssteg 46 und dem Basiselement 12 angeordnet, wodurch eine kompakte Integration der Koppeleinrichtung 58 am Schlitten 14 ermöglicht wird. Das Koppelglied 60, der erste Schlittenabschnitt 38 und das

Stützglied 62 bilden ein Hebelgetriebe aus, das auf den zweiten Schlittenabschnitt 40 wirkt. Das Hebelgetriebe ist derart eingerichtet, dass bei einer Erwärmung oder Abkühlung des Schlittens 14 ein im Wesentlichen konstanter Abstand zwischen dem längeren Schenkel 42 des ersten Schlittenabschnitts 38 und dem zweiten Schlittenabschnitt 40 und den jeweils zugeordneten Stützflächenpaaren 28, 30 bzw. 54, 56 eingehalten wird, so dass die jeweiligen Führungseinrichtungen 26, 27 stets in gleichem Abstand zueinander angeordnet sind und die vom Schlitten 14 auf das Basiselement 12 übertragene Vorspannkraft zumindest im Wesentlichen konstant ist.

Dazu ist es zweckmäßig, die Hebelverhältnisse innerhalb des aus Koppelglied 60, Stützglied 62 und erstem Schlittenabschnitt 38 gebildeten Hebelgetriebes aufeinander abzustimmen. Die Abstimmung erfolgt vorzugsweise derart, dass die temperaturbedingte Gestaltanderung des ersten Schlittenabschnitts 38 und die demgegenüber geringere Gestaltänderung des Koppel- glieds 60, die beispielsweise bei einer Erwärmung des Schlittens 14 auftreten können, zu einer Verkippung des Stützglieds 62 um den Anlagepunkt der Einstelleinrichtung 70 am ersten Schlittenabschnitt 38 führt. Damit wird der gewünschte kon- 5 stante Abstand zwischen dem längeren Schenkel 42 und dem zweiten Schlittenabschnitt 40 sichergestellt. Dabei muss auch die vom Schlitten 14 auf das Basiselement 12 zu übertragende Vorspannkraft berücksichtigt werden, die eine elastische Dehnung der Komponenten des Hebelgetriebes bewirkt .

lo Die lokale Erwärmung des Schlittens 14, die bei der Einspei- sung elektrischer Energie in die elektrodynamische Antriebseinheit 72 auftritt, führt zu einer im Wesentlichen isotropen Ausdehnung der Komponenten des Schlittens 14, insbesondere der Schlittenabschnitte 38, 40 und der Koppeleinrichtung 58. i5 Die betragsmäßig größte wärmebedingte Ausdehnung tritt am

Verbindungssteg 46 auf, der zumindest in einer Richtung senkrecht zur Hauptachse 18 und parallel zur größten Erstreckung des Koppelglieds 60 die größte Ausdehnung aufweist. Bedingt durch die Geometrie des Verbindungsstegs 46 findet durch die

20 Ausdehnung des Schlittens 14 eine Vergrößerung des Abstands zwischen dem längeren Schenkel 42 und dem kürzeren Schenkel 44 statt. Bei einer starren Kopplung des ersten Schlittenabschnitts 38 mit dem zweiten Schlittenabschnitt 40 würde diese Ausdehnung zu einer unerwünschten Reduzierung der vom Schiit -

25 ten 14 auf das Basiselement 12 übertragenen Anpresskraft führen, da sich die Stützflächenpaare 28, 30 von den Stützflächenpaaren 54, 56 entfernen würden.

Aufgrund der Wirkungsweise der Koppeleinrichtung 58 und der schiebebeweglichen Lagerung des zweiten Schlittenabschnitts 3o 40 gegenüber dem ersten Schlittenabschnitt 38 führt bei der vorliegenden Ausführungsform des Schlittens 14 die erwärmungsbedingte Ausdehnung des Verbindungsstegs 46 nicht zu ei- ner relevanten Veränderung des Abstands zwischen den gegenüberliegenden Stützflächenpaaren 28, 30 und 54, 56. Um diesen Abstand im Betriebstemperaturbereich des Lineardirektantriebs 10 konstant zu halten, ist es erforderlich, dass der thermi- sehe Ausdehnungskoeffizient des Koppelglieds 60 vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten des ersten Schlittenabschnitts 38, insbesondere des Verbindungsstegs 46, abweicht. Bei der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsform ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des Koppelglieds 60 gerin- ger als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Schlittenabschnitts 38, insbesondere des Verbindungsstegs 46 gewählt. Durch die unterschiedlich großen Gestaltänderungen des Verbindungsstegs 46 und des Koppelglieds 60 wird eine Verkippung des Stützglieds 62 bewirkt. Durch diese Verkippung, die um eine Kippachse stattfindet, die orthogonal zur Darstellungs- ebene der Figur 2 ausgerichtet ist, erfolgt eine translatorische Relativbewegung des zweiten Schlittenteils 40 in Richtung des ersten Schlittenteils 38, die der Ausdehnungsbewegung des Verbindungsstegs 46 entgegenwirkt und damit für einen konstanten Abstand zwischen den sich gegenüberliegenden Führungseinrichtungen 26, 27 sorgt.

Die Erwärmung des Schlittens 14 hängt mit der Erzeugung einer linearen Vortriebsbewegung längs der Hauptachse 18 des Basiselements 12 zusammen. Zu diesem Zweck trägt der Schlitten 14 die schematisch dargestellte, elektrodynamische Antriebseinheit 72. Diese umfasst mehrere nicht näher dargestellte Spulen, die von einer nicht dargestellten Versorgungseinrichtung mit elektrischer Energie beaufschlagt werden können. Durch eine geeignete Beaufschlagung der Spulen mit elektrischer Energie tritt eine Wechselwirkung mit den am Basiselement 12 festgelegten Permanentmagneten 22 ein, die in einer Vortriebskraft auf den Schlitten 14 resultiert. Die Umsetzung der elektrischen Energie in den Spulen führt zu einer Erwärmung der Spulen, die den Schlitten 14 erwärmen. Das Basiselement 12 ist im Gegensatz zum Schlitten 14 nicht unmittelbar mit der elektrodynamischen Antriebseinheit 72 gekoppelt, so dass nur ein geringfügiger Wärmeübergang vom Schlitten 14 auf das Basiselement 12 stattfindet. Darüber hinaus weist das Basiselement 12 aufgrund seiner größeren geometrischen Ausdehnung eine größere Oberfläche und abhängig von der Aufbauweise auch eine größere Wärmekapazität auf, so dass beim Betrieb des Lineardirektantriebs 10 die Eigenerwärmung des Schlittens 14 aufgrund der zugeführten elektrischen Energie erheblich größer ist als die Erwärmung des Basiselements 12. Dies führt zu der Problematik der variierenden Vorspannkraft zwischen Schlitten 14 und Basiselement 12, die von der dargestellten Ausführungsform eines Lineardirektantriebs 10 mittels der

Koppeleinrichtung 58 zumindest nahezu vollständig kompensiert wird.

Claims

Ansprüche

1. Elektrodynamischer Lineardirektantrieb mit einem längser- streckten Basiselement (12) , das wenigstens zwei sich längs einer Hauptachse (18) erstreckende Führungsmittel 5 (16) aufweist, sowie mit einem Schlitten (14) , der in

Achsrichtung der Hauptachse (18) linearbeweglich am Basiselement (12) gelagert ist und der einen Schlittenkörper (24) mit wenigstens zwei zur Kraftübertragung auf die Führungsmittel (16) dienenden Führungseinrichtungen (26, lo 27) umfasst, wobei zwischen den Führungsmitteln (16) und den Führungseinrichtungen (26, 27) jeweils wenigstens ein Führungskörper (36) angeordnet ist, der eine reibungsarme Relativbewegung des Schlittens (14) gegenüber dem Basis - element (12) ermöglicht und der mit einer vom Schlitten- i5 körper (24) auf das Basiselement (12) ausgeübten Vorspannkraft beaufschlagt ist, sowie mit einer vom Schlitten (14) getragenen elektrodynamischen Antriebseinheit (72) , die zur Bereitstellung einer Antriebskraft für eine lineare Bewegung des Schlittens (14) längs des Basisele-

20 ments (12) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlittenkörper (24) einen ersten Schlittenabschnitt

(38) mit einer ersten Führungseinrichtung (26) und einen separat ausgeführten zweiten Schlittenabschnitt (40) mit einer zweiten Führungseinrichtung (27) aufweist, wobei

25 die beiden Schlittenabschnitte (38, 40) von einer Koppeleinrichtung (58) miteinander verbunden sind und der Schlittenkörper (24) und die Koppeleinrichtung (58) von- einander verschiedene thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen und wobei die Koppeleinrichtung (58) den Führungseinrichtungen (26, 27) derart zugeordnet ist, dass die vom Schlittenkörper (24) auf die Führungsmittel (16) s ausgeübte Vorspannkraft in einem Betriebstemperaturbereich der elektrodynamischen Antriebseinheit (72) zumindest im Wesentlichen konstant ist.

2. Elektrodynamischer Lineardirektantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinrichtung (58)o mit einem ersten Gelenk (64) am ersten Schlittenabschnitt (38) gelenkig angebracht ist und/oder mit einem zweiten Gelenk {66) am zweiten Schlittenabschnitt (40) gelenkig angebracht ist.

3. Elektrodynamischer Lineardirektantrieb nach Anspruch 1s oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlittenkörper (24) das Basiselement (12) umgreift und die an den Schlittenabschnitten (38, 40) angebrachten Führungseinrichtungen (26, 27) einander gegenüberliegend zugeordnet sind. 0

4. Elektrodynamischer Lineardirektantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselement (12) den Schlittenkörper (24) umgreift und die Führungs- einrichtungen (26, 27) spiegelsymmetrisch zu einer die Mittelachse (18) enthaltenden Spiegelebene an den Schiit -5 tenabschnitten (38, 40) ausgerichtet sind.

5. Elektrodynamischer Lineardirektantrieb nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinrichtung (58) ein Koppelglied (60) umfasst, dessen Haupter- streckungsrichtung zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Hauptachse (18) verläuft und das sich zwischen den Schlittenabschnitten (38, 40) erstreckt.

6. Elektrodynamischer Lineardirektantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelglied (60) zwi-

5 sehen dem Schlittenkörper (24) und dem Basiselement (12) angeordnet ist und einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Material des Schlittenkörpers (24) aufweist.

7. Elektrodynamischer Lineardirektantrieb nach Anspruch 5 lo oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Endbereich des

Koppelglieds (60) zwischen voneinander abgewandten Endbereichen eines Stützglieds (62) angelenkt ist, wobei ein erster Endbereich des Stützglieds (62) mit dem ersten Schlittenabschnitt (38) gekoppelt ist oder an einer AnIa- i5 geflache des ersten Schlittenabschnitts (38) anliegt und wobei ein zweiter Endbereich des Stützglieds (62) mit dem zweiten Schlittenabschnitt (40) gekoppelt ist oder an einer Anlagefläche des zweiten Schlittenabschnitts (40) anliegt .

20 8. Elektrodynamischer Lineardirektantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelglied (60) und/oder das Stützglied (62) mit einer Einstelleinrichtung (70) versehen sind, die zur Einstellung der Vorspannkraft zwischen Schlitten (14) und Basiselement (12)

25 ausgebildet ist .

9. Elektrodynamischer Lineardirektantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinrichtung (70) an einem Endbereich des Stützglieds (62) ausgebildet ist.

10. Elektrodynamischer Lineardirektantrieb nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinrichtung (70) eine Stellschraube aufweist, die beweglich im Stützglied (62) gelagert ist und die an der Anlagefläche des ersten

5 oder des zweiten Schlittenabschnitts (38, 40) anliegt, wobei die Stellschraube für eine Einstellung der Vorspannkraft ausgebildet ist.

11. Elektrodynamischer Lineardirektantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass lo zwischen Koppelglied (60) und Schlittenkörper (24) ein Luftspalt ausgebildet ist.

12. Elektrodynamischer Lineardirektantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Achsrichtung (18) des Basiselements (12) wenigstens zwei i5 voneinander beabstandete Koppeleinrichtungen (58) am Schlittenkörper (24) angeordnet sind.

13. Elektrodynamischer Lineardirektantrieb nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass an einander entgegengesetzten stirnseitigen Endbereichen des Schlittenkörpers (24)

20 jeweils eine Koppeleinrichtung (58) angeordnet ist.