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Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb für Schlittensysteme von Werkzeugmaschinen, insbe- sondere mit stabkinematischer Positionierung von Werkzeugen und bzw. oder Werkstücken, mit mindestens zwei in einem Gehäuse einander symmetrisch gegenüber liegenden Primärteilen von mindestens zwei Linearmotoren, wobei diese Primärteile ihnen jeweils zugeordnete Sekundärteile einschliessen, und die Primärteile und Sekundärteile der Linearmotoren relativ zueinander ver- schiebbar sind.
Im klassischen Maschinenbau werden Schlitten auf Werkzeugmaschinen bzw. Bearbeitungs- zentren durch Spindelantriebe positioniert. Heute sind dazu meist Kugelrollspindeln in Verwen- dung. Gefordert wird eine Hochgeschwindigkeitszerspanung mit hoher Systemsteifigkeit. Die Schlittengeschwindigkeiten können bis zu 80 m/min und die auftretenden Beschleunigungen bis zu 20 m/sec2 betragen. Digitale Vorschubantriebe mit Direktantrieb und Spindelsteigungen mit bei- spielsweise 40 mm sind bei den extremen Schlittengeschwindigkeiten vorgesehen. Um gegebe- nenfalls auch jenseits der genannten Grenzen vordringen zu können, werden zum Antrieb von Schlittensystemen Linearmotoren eingesetzt. Diese erreichen je nach Bauart maximale Geschwin- digkeiten von 45 bis 800 m/min.
Ein wesentlicher Vorteil gegenüber der Spindeltechnologie liegt darin, dass Elastizitäts-, Spiel-, Reibungseffekte und Eigenschwingungen von Mechanikelementen weitestgehend vermieden werden. Bearbeitungszeiten werden gesenkt und die Bahngenauigkeit wird erhöht Die Positionierung der Schlitten ist mit höchster Genauigkeit und Präzision möglich.
Natürlich ist die Steifigkeit der in Rede stehenden Direktantriebe deutlich höher als bei konventio- nellen Antriebssystemen. Es werden Asynchron-Linearmotoren aus einem Primärteil in Form von Blechpaketen mit Drehstromwicklung und aus einem Sekundärteil in Form eines Kurzschlusskäfigs mit Eisenkern eingesetzt. Infolge der höheren Leistungsdichte kommen vorzugsweise meist Syn- chron-Linearmotoren zum Einsatz, deren Primärteil eine gegebenenfalls fremdgekühlte Drehstrom- wicklung und deren Sekundärteil eine Eisenträgerplatte mit formschlüssigen Dauermagneten (z.B aus seltenen Erden) umfasst.
Die EP 0 893 196 A2 betrifft die Anordnung mehrerer Linearmotoren unmittelbar zwischen Bett und Schlitten, wie etwa mit beiderseits der Bettführung stationär angeordneten Sekundärteilen und diesen auf abgewinkelten Seitenplatten eines Schlittens gegenüberliegenden Primärteilen. Die in die Werkzeugmaschine unmittelbar integrierten Linearmotoren erschweren wegen der permanent vorhandenen Magnetkräfte die Montage. Die Magnete liegen unmittelbar im Bereich des Späne- falls. Die hohe Verlustleistung führt bei in die Bettführungen integrierten Linearmotoren zu einer nicht zu unterschätzenden Wärmeeinbringung in die Maschinenstruktur, sodass eine sehr gute Kühlung mit Regelkreis notwendig wird
Aus der JP 8309641 A ist ein Linearantrieb mit zwei symmetrisch angeordneten Linearmotoren bekannt, deren Primärteile in einem Gehäuse vorgesehen sind.
Den Primärteilen liegen Sekundär- teile auf einer Schiene gegenüber. Bei der JP-A bewegt sich das Gehäuse und die Schiene steht fest. Das Gehäuse läuft auf der Schiene und liegt unmittelbar unterhalb eines Schlittens, den das Gehäuse bei seiner Längsbewegung mitnimmt. Die Zugänglichkeit, Wärmehaushalt und Beein- trächtigung durch Spänefall schaffen Probleme, die einem praktischen Einsatz bisher entgegen- stehen.
Die Erfindung zielt darauf ab, die oben genannten Nachteile bei einem Linearantrieb für Schlit- tensysteme von Werkzeugmaschinen zu vermeiden. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Sekundärteile der mindestens zwei Linearmotoren auf einem gemeinsamen Schieber angeordnet sind, der in dem insbesondere tunnelähnlichen, stationären Gehäuse, welches an seiner Innenseite die Primärteile der Linearmotoren trägt, in Führungen in Längsrichtung ver- schiebbar gelagert ist, dass das Gehäuse in Verlängerung von Schlittenführungen der Werkzeug- maschine ausserhalb des Bewegungsbereiches des in diesen Schlittenführungen verfahrbaren Schlittens und ausserhalb des Spänefalls angeordnet ist und dass der Schieber an den Schlitten angeschlossen ist.
Der Antrieb entspricht in seinem Konzept etwa einem Hydraulikzylinder mit Kolbenstange und stellt gewissermassen ein elektromotorisches Äquivalent dazu dar. In vorteilhaf- ter Weise kann das Gehäuse mit den Primärteilen und der Schieber mit den Sekundärteilen von mindestens zwei insbesondere handelsüblichen Linearmotoren als selbständige, separat an eine Werkzeugmaschine zur Schlittenbewegung ansetzbare, austauschbare Baueinheit ausgebildet sein. Die Magnetkräfte heben einander im Inneren des Systems auf. Im Gehäuse sind die Primär- teile mit oder ohne Kühlplatten untergebracht. Das Gehäuse trägt ein Führungssystem für den
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Schieber mit den Sekundärteilen.
Da der Grossteil der Verlustwärme in den Primärteilen entsteht und diese stationär im Gehäuse angeordnet sind, kann die Verlustwärme leicht über fest verlegte Kühlleitungen eventuell vorhandener Kühlkreisläufe, z. B. mit konventionellen Kühlgeräten, erfol- gen. Ebenso sind für den Energieanschluss keine flexiblen Stromzuführungen notwendig, weil nur die stationären Primärteile angespeist werden. Dies ist besonders wesentlich, da ja Linearmotore hohe Beschleunigungs- und Geschwindigkeitswerte erreichen und gerade diese Kriterien bei flexi- blen Anschlüssen (Kühlschläuche bzw. Kabelzuführungen) maximalen Verschleiss bedeuten wür- den.
Die erfindungsgemässe Baueinheit bringt bei ihrer Montage ausserhalb des Schlittensystems kaum Verlustwärme in das Maschinenbett ein und vergrössert weder die Tiefe noch die Höhe der Maschine, sondern allenfalls nur deren Länge. Damit können beispielsweise Querschnitte bei modernen stabkinematisch positionierenden Werkzeugmaschinen erhalten bleiben. Eine Modul- bauweise wird damit ermöglicht. Erwähnt sei nochmals, dass die Permanentmagnete der hier zumeist eingesetzten Synchron-Linearmotoren weit ausserhalb des Spänefalls liegen und damit eine Gefahr einer Anziehung der Späne bzw. ein Hineinziehen in den Antrieb bis zum Störungsfall in keiner Weise besteht.
Um bei Energieausfall oder Störungen dieser Art ein sofortiges Anhalten der Linearmotoren zu erreichen, ist es zweckmässig, wenn die in dem stationären Gehäuse vorgesehenen Führungen für den Schieber eine Brems- und Feststelleinrichtung aufweisen, die beispielsweise hydraulisch vorschiebbare oder unter Federkraft gegen den Schieber vorgespannte und insbesondere hydrau- lisch aus den Führungen zurückziehbare Bremsbacken bzw. Bremsschuhe umfasst. Bei Stromaus- fall kommen die Federn beispielsweise automatisch zur Wirkung und drücken die in den gehäuse- seitigen Führungen vorgesehenen Bremsbacken gegen den Schieber bzw dessen seitliche Lauf- leisten oder Schienen. Dieser Vorgang ist natürlich auch mit einem hydraulischen Energiespeicher ausführbar.
Bei vertikaler Montage des Linearantriebes ist ein insbesondere hydraulischer oder pneumati- scher Gewichtsausgleich, z. B. mit Kolben und Zylinder, für das Gewicht des Schiebers und die darauf angeordneten Sekundärteile der beiden Linearmotoren sowie des Schlittensystems vorge- sehen. Dadurch befindet sich der Schieber stets im Gleichgewicht.
In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel für einen Linearantrieb gemäss der Erfindung schematisch dargestellt. Fig. 1 zeigt eine Werkzeugmaschine mit den hier relevanten Baugruppen in Seitenansicht, Fig. 2 den Linearantrieb als Detail und Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie 111-111 in Fig. 2.
Eine Werkzeugmaschine umfasst nach Fig. 1 ein Maschinenbett 1 mit Bettführungen 2, in wel- chen ein Schlitten 3 in Längsrichtung verfahrbar ist. Dazu ist ein Linearantrieb 4 vorgesehen, der in Längsrichtung der Bettführungen 2 hier unmittelbar mit dem Schlitten 3 verbunden ist. Natürlich kann auch ein Gestänge, z.B. eine Schubstange zwischen Linearantrieb 4 und Schlitten 3 vorge- sehen sein, die sich unter einer teleskopartig zusammenschiebbaren Bettführungsabdeckung in Längsrichtung erstreckt.
Der Linearantrieb 4 umfasst ein tunnelartiges Gehäuse 5 mit zwei Primärteilen 6,7 (Dreh- stromwicklungen) für zwei Synchron-Linearmotoren, deren Sekundärteile 8, 9 (Permanentmagnete, z. B. aus seltenen Erden, wie Samarium) auf einem Schieber 10 angeordnet sind. Dabei liegen einander jeweils die Primärteile 6,7 und die Sekundärteile 8,9 paarweise unter Bildung eines Luftspaltes gegenüber. Der Schieber 10 ist im Gehäuse 5 in seitlichen Führungen 11 gelagert, wobei der Schieber 10 dazu an seinen Längsseiten beiderseits Schienen 12 trägt. Wie Fig. 1 und 2 zeigen, ist der über seine ganze Länge die Sekundärteile 8,9 der beiden Linearmotoren tragende Schieber 10 hier unmittelbar mit dem Schlitten 3 verbunden, sodass jede lineare Bewegung des Linearantriebs unmittelbar (1:1) als Vorschub auf den Schlitten 3 zur Wirkung kommt.
Dieser Linearantrieb kann aus zwei Einzelkamm-Linearmotoren aufgebaut sein, wobei die Primärteile ein lamelliertes Blechpaket mit Drehstromwicklung und gegebenenfalls integrierter Kühlung sowie die Sekundärteile eine als Schieber 10 ausgebildete Eisenträgerplatte mit form- schlüssigen Dauermagneten umfasst. Es können Synchron-Linearmotore aber auch Asynchron- Linearmotore eingesetzt werden, deren Sekundärteile dann als Kurzschlusskäfige mit Eisenkern auszubilden wären.
Zur Positionierung des Schlittens 3 verfügt die Anordnung bzw. der Linearantrieb selbstver-
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ständlich über ein lineares Wegmess-System. Hier wird der Vorteil des erfindungsgemassen Linear- antriebs deutlich, da eine direkte Energieumsetzung ohne mechanischer Umformung, z. B. durch einen Kugelgewindetrieb, erfolgt. Es können hohe Beschleunigungen und Geschwindigkeiten erreicht werden. Durch die symmetrische Anordnung der Primär- und Sekundärteile der beiden Linearmotore neutralisieren sich die Magnetkräfte gegenseitig. Um bei Energieausfall ein Weiter- laufen des Schlittens 3 zu vermeiden, weist der Linearantrieb gemäss der Erfindung eine Brems- und Feststelleinrichtung auf, die in Fig. 3 als hydraulische Backenbremse 13 im Bereich der Füh- rungen 11 dargestellt ist.
Diese Backenbremse 13 ist mehrfach und beidseitig des Schiebers 10 vorgesehen. Natürlich können auch vorgespannte Bremsfedern zur Anwendung kommen, die auf die Bremsbacken bei Auslösung der Bremse zangenartig wirken.
Da der Linearantrieb gemäss der Erfindung als stets selbständige Baueinheit mit Vorteil seitlich am Maschinenbett 1 angeordnet werden kann, besteht keinerlei Gefährdung durch den Spänefall.
Die Permanentmagnete liegen weit ausserhalb des Spänefallbereichs.
Das hier für einen Längsvorschub dargestellte Linearantriebssystem kann ebenso in der Verti- kalen betrieben werden. Dazu ist gemäss Fig. 2 und 3 ein hydraulischer oder pneumatischer Ge- wichtsausgleich mit einem oder mehreren Kolben 14 und Zylindern 15 vorgesehen, die eine Ge- wichtskompensation in der Vertikalen bewirken.
Bei stabkinematisch positionierbaren Werkzeugen bzw. Werkstücken sind beispielsweise drei Schlitten vorgesehen, die über Gelenkverbindungen und Parallelstäbe eine Trägerplatte für das Werkzeug bzw. Werkstück im Raum bewegen. Die drei Schlitten können als Fusspunkte der Paral- lelstabkinematik in der Horizontalebene und in parallelen Vertikalebenen beiderseits der Horizon- talebene jeweils in Längsrichtung verschoben werden. Dazu eignet sich der erfindungsgemässe Linearantrieb zu jedem der Schlitten in hervorragender Weise, weil keinerlei zusätzliches Konstruk- tionsvolumen die Höhe oder Tiefe der Werkzeugmaschine vergrössert.
Die Werkzeugmaschine kann ihre extrem kompakte Bauweise, beibehalten, da die erfindungsgemässen Linearantriebe als separate Baueinheiten in Längsrichtung an das Maschinenbett einfach angeschlossen werden, so- dass sich bloss die Baulänge der gesamten Einheit etwas vergrössert. Besonders erwähnenswert ist, dass die erfindungsgemässen Linearantriebe bewusst nicht unmittelbar in die Bettführungen der Werkzeugmaschine integriert sind, sodass der Zusammenbau von z. B. permanentmagnetischen Einzelkomponenten der Linearmotoren mit ferromagnetischen Maschinenelementen der Schlitten- führung entfällt und bloss fertige Baueinheiten an die Werkzeugmaschine angesetzt werden müs- sen. Diese Montage ist äusserst einfach. Im Storungsfall kann ein Austausch auch ohne Spezial- personal erfolgen.
Ferner sind die Wärmequellen weitgehend abgekoppelt, also die Weiterleitung von Wärmemengen aus dem Linearantrieb in das Maschinenbett zum Grossteil unterbunden, da die in den Linearantrieben entstehenden Wärmemengen direkt in diesen separaten Baugruppen abgeführt werden können
PATENTANSPRÜCHE:
1.
Linearantrieb für Schlittensysteme von Werkzeugmaschinen, insbesondere mit stabkine- matischer Positionierung von Werkzeugen und bzw. oder Werkstücken, mit mindestens zwei in einem Gehäuse einander symmetrisch gegenüber liegenden Primärteilen von min- destens zwei Linearmotoren, wobei diese Primärteile ihnen jeweils zugeordnete Sekundär- teile einschliessen, und die Primärteile und Sekundärteile der Linearmotoren relativ zuein- ander verschiebbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärteile (8,9) der mindestens zwei Linearmotoren auf einem gemeinsamen Schieber (10) angeordnet sind, der in dem insbesondere tunnelähnlichen, stationären Gehäuse (5), welches an seiner In- nenseite die Primärteile (6, 7) der Linearmotoren trägt, in Führungen (11) in Längsrichtung verschiebbar gelagert ist, dass das Gehäuse (5)
in Verlängerung von Schlittenführungen (2) der Werkzeugmaschine ausserhalb des Bewegungsbereiches des in diesen Schlitten- führungen verfahrbaren Schlittens und ausserhalb des Spanefalls angeordnet ist und dass der Schieber an den Schlitten angeschlossen ist.