DE102008024909A1 - Antriebseinrichtung für einen gesteuert verfahrbaren Schlitten - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für einen gesteuert verfahrbaren Schlitten einer Maschine gegenüber einem Maschinengrundgestell mit einem auf einer Welle (01) angeordneten steuerbaren Elektromotor, umfassend einen Stator (02) und einen Rotor (03), einem auf der Welle (01) angeordneten, vom Elektromotor angetriebenen Ritzel (12) und einer mit dem Ritzel (12) in Eingriff stehenden Zahnstange (13), wobei die Zahnstange (13) am Maschinengrundgestell angeordnet ist, sowie mindestens zwei Wälzlager (09, 10) zur Lagerung der Welle (01), wobei die Wälzlager (09, 10) in Ausnehmungen von Gehäusescheiben (06) angeordnet sind. Die erfindungsgemäße Antriebseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Wälzlager als Festlager (09) und ein Wälzlager als Loslager (10) ausgebildet ist, dass der Rotor (03) mit der Welle (01) über mechanische Besfestigungsmittel verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für einen gesteuert verfahrbaren Schlitten einer Maschine gegenüber einem Maschinengrundgestell gemäß dem Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1.
  • Gattungsgemäße Antriebe werden beispielsweise bei Werkzeugmaschinen und anderen Produktionsmaschinen mit längeren, linear geführten und gesteuert verfahrbaren Achsen bzw. Schlitten eingesetzt.
  • Die Linearachsen werden derzeit häufig über Trapez-, Kugel- oder Rollengewindetriebe angetrieben, mit denen lange und mechanisch steife Achsen realisiert werden können. Da jedoch oft kein Hohlwellenmotor zur Verfügung steht, muss die Spindel oder Spindelmutter mit dem elektrischen Servomotor mittels eines Zahnriemens gekoppelt werden. Aus Gründen der Leistungsanpassung ist in der Regel ein vorgeschaltetes Getriebe erforderlich.
  • Nachteilig bei diesen Lösungen ist, dass diese Systeme aufgrund der Vielzahl der erforderlichen Bauteile (Spindel, Spindelmutter, Zahnriemen, Getriebe) sowohl in der Konstruktion aufwändig als auch in der Beschaffung sehr teuer sind. Außerdem wird die hohe Steifigkeit der Spindel durch den relativ flexiblen, aus einem Elastomermaterial bestehenden Zahnriemen zunichte gemacht. Innerhalb des Getriebes kann sich darüber hinaus ein Umkehrspiel ergeben, wodurch keine präzise Positionierung der Achsen mehr möglich ist.
  • Zur Minimierung der Kosten ist es weiterhin bekannt, bei Linearachsen die Schlitten direkt über einen Zahnriemen mit dem Antriebsmotor bzw. dem Getriebe zu koppeln, so dass das Spindelsystem entfallen kann. Der Vorteil der hierdurch erreichten Kostenersparnis ist jedoch mit dem Nachteil verbunden, dass die auf diese Weise realisierten Linearachsen mechanisch nicht sehr steif und nicht präzise positionierbar sind.
  • Bei anderen Lösungen kommen Lineardirektmotoren zum Einsatz. Hierbei werden die Primärteile (Spulensysteme) mit dem Schlitten und die Sekundärteile (Magnete) mit dem Maschinenbett verschraubt. Die Antriebskraft wird somit direkt am Schlitten erzeugt, so dass auf jegliche Art von kostenintensiven Übertragungselementen verzichtet werden kann. Solche Antriebssysteme können bei optimierten Regelungsparametern auch mechanisch sehr steif ausgeführt werden. Nachteilig bei diesen Antriebssystemen ist, dass die Magnetschienen über die gesamte Länge des Verfahrweges angebracht werden müssen, was mit hohen Kosten verbunden ist. Außerdem wirken zwischen dem Primär- und dem Sekundärteil hohe magnetische Anziehungskräfte, die eine zusätzliche Belastung für die Linearführung darstellen.
  • In der US 4,750,970 ist ein Antrieb mit einer Zahnstangen-Ritzel-Kombination beschrieben, bei dem die Zahnstange am Maschinenbett und das Ritzel mit Getriebe und Antriebsmotor am Schlitten angeordnet sind. Das Ritzel kämmt in der Zahnstange ab und treibt somit den linear geführten Schlitten an. Infolge des zur Leistungsanpassung erforderlichen Getriebes kann sich ein Umkehrspiel ergeben, was eine exakte Positionierung unmöglich macht.
  • Aus der DE 101 60 014 C2 ist eine Antriebseinrichtung für einen gesteuert verfahrbaren Schlitten einer Werkzeugmaschine bekannt, welche anstelle eines Servomotors mit Getriebe Torquemotoren verwendet. Torquemotoren sind hochpolige, synchrone, drehmomentstarke Elektromotoren, die ein Zahnritzel ohne dazwischen geschaltetes Getriebe direkt antreiben können. Das Zahnritzel ist einstückig mit der Motorwelle ausgebildet. Der Motor ist mit einem U- förmigen Lagerkörper fest verbunden, der eine Umfangskammer begrenzt. Durch den U-förmigen Querschnitt des Lagerkörpers wird zwar eine Gewichtsreduzierung erzielt, dies kann jedoch einen negativen Einfluss auf die Steifigkeit des Rotors haben. Da zwischen Rotor und Stator magnetische Anziehungskräfte wirken, könnte der Rotor, ähnlich wie eine Stimmgabel, zum Schwingen gebracht werden. Dieser Nachteil kann durch eine zusätzliche Flanschplatte vermieden werden. Jedes zusätzliche Bauteil ist jedoch mit höheren Kosten verbunden. Darüber hinaus ist die U-förmige Gestaltung des Lagerkörpers, mit einer extrem großen Einstechtiefe, durch eine spanende Bearbeitung schwierig herstellbar. Die einstückige Ausführung von Zahnritzel und Motorwelle bringt ebenfalls Nachteile mit sich. Da das Zahnritzel aus Verschleißgründen aus gehärtetem Stahl gefertigt sein sollte, die Welle jedoch nicht gehärtet zu sein braucht, wird eine solche Konstruktion unnötig teuer. Weiterhin ist es nachteilig, dass der Rotor auf der Welle mittels Spannsätzen derart geklemmt ist, dass der Rotor nicht direkt auf der Welle sondern im Wesentlichen über die Spannsätze zentriert wird. Bei ungleichem Anziehen der Schrauben an den Spannsätzen kann es zu einem Radialanschlag am Rotor kommen, der so groß ist, dass die einwandfreie Funktion des Motors ungünstig beeinflusst oder gar gestört werden könnte. Dies kann so weit gehen, dass der Rotor am Stator schleifen könnte.
  • Bei der in der DE 101 60 014 C2 beschriebenen Antriebseinrichtung sind die Enden der Motorwelle in Wälzlagern gelagert. In der in 3 dargestellten Ausführungsform werden Kegelrollenlager verwendet. Für die zuverlässige und langzeitstabile Funktion von Kegelrollenlagern ist die Einstellung der richtigen Lagervorspannung von wesentlicher Bedeutung. Die beiden Kegelrollenlager sind an gegenüberliegenden Stellen am Antrieb angeordnet, der Antriebsmotor und die verschiedenen Maschinenkomponenten befinden sich somit zwischen den Lagern. Hierdurch ergeben sich lange Toleranzketten, was eine einwandfreie Vorspannungseinstellung schwierig bzw. gar unmöglich machen kann. In dem zwischen den beiden gegenseitig verspannten Kegelrollenlagern angeordneten Stator wird während des normalen Betriebs Verlustwärme erzeugt. Infolge der dadurch hervorgerufenen Wärmeausdehnungen im Gehäuse kann die Lagervorspannung beeinflusst oder über ein zulässiges Maß hinaus vergrößert werden, so dass es zum vorzeitigen Ausfall der Lager kommen kann. Im Vergleich zu beispielsweise Kugellagern weisen Kegelrollenlager ein höheres Reibungsmoment auf. Dies könnte zu einer größeren Erwärmung in den Kegelrollenlagern und somit zu einem vorzeitigen Ausfall der Lager führen.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit ausgehend von der DE 101 60 014 C2 darin, eine verbesserte Antriebseinrichtung für einen gesteuert verfahren Schlitten zur Verfügung zu stellen, die sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnet und kostengünstig zu realisieren ist.
  • Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient eine Antriebseinrichtung gemäß dem beigefügten Anspruch 1.
  • Eine erfindungsgemäße Antriebseinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass zur Lagerung einer Welle ein als Festlager ausgebildetes Wälzlager und ein als Loslager ausgebildetes Wälzlager zum Einsatz kommen.
  • Weiterhin ist charakteristisch, dass der Rotor eines Elektromotors mit der Welle direkt über mechanische Befestigungsmittel, vorzugsweise mittels eines Spannsatzes, verbunden ist. Dadurch wird eine zylindrische Zentrierung des Rotors auf der Welle über eine größere Länge erreicht, so dass der Rotor bei minimalem Rundlauffehler ausreichend genau zentriert werden kann.
  • Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung besteht darin, dass sich infolge der Fest-Los-Lager-Anordnung Wärmedehnungen, die durch Erwärmung des Stators und des Gehäuses verursacht werden, nicht auf die Lagervorspannung auswirken. Dies ist dadurch begründet, dass ein Loslager im Gegensatz zu einem Festlager bekanntlich Wärmedehnungen in Längsrichtung ermöglicht.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, dass bei der erfindungsgemäßen Lösung im Gegensatz zu der aus der DE 101 60 014 C2 vorbekannten Lösung keine einteili ge Ausführung von Welle und Ritzel sondern eine zweiteilige Ausführung von Welle und Ritzel Verwendung findet. Da das Ritzel, welches auf der Zahnstange kämmt, einem größeren Verschleiß als die Welle unterworfen ist, kann das Ritzel aus einem widerstandsfähigeren Material als die Welle hergestellt werden. Außerdem kann das Ritzel ohne größeren Umbauaufwand ausgewechselt werden.
  • Nach einer vorteilhaften Ausführungsform bestehen das Ritzel aus gehärtetem Stahl und die Welle aus kostengünstigerem, ungehärteten Stahl. Auf diese Weise kann eine wesentliche Kostenersparnis erreicht werden.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Festlager als zweireihiges Schrägkugellager ausgeführt und im Bereich des Ritzels angeordnet. Durch ein solches, sehr tragfähiges Lager können die radialen Belastungen, die sich aus der Antriebskraft und der Vorspannung des Ritzels und der Zahnstange ergeben, optimal abgestützt werden.
  • Das Loslager kann als Rillenkugellager ausgeführt sein.
  • Im Gegensatz zu Kegelrollenlagern ist bei Kugellagern keine umständliche externe Einstellung der Lagervorspannung erforderlich. Die Einstellung der Lagervorspannung wird innerhalb des zweireihigen Schrägkugellagers komponentenintern gelöst. Dadurch, dass keine externe Einstellung erforderlich ist, ergeben sich auch keine langen Toleranzketten wie bei Kegelrollenlagern, welche eine einwandfreie Vorspannungseinstellung erschweren würden. Kugellager weisen außerdem im Allgemeinen bei ähnlicher Baugröße ein kleineres Reibmoment als Kegelrollenlager auf. Dadurch erwärmen sich Kugellager bei gleichen Betriebsbedingungen nicht so stark wie Kegelrollenlager und verschleißen dadurch wesentlich langsamer, was die Betriebszuverlässigkeit erhöht und zu Kosteneinsparungen führt.
  • Als besonders vorteilhaft hat sich eine T-förmige Gestaltung des Querschnitts des Rotors erwiesen. Ein derartig gestalteter Rotor zeichnet sich durch ein vergleichsweise geringes Gewicht aus. Trotz der erreichten Gewichtsreduzierung weist der Rotor selbst noch die erforderliche Steifheit auf. Zusätzliche Bauteile zur Rotorstabilisierung werden daher nicht benötigt, was wiederum zur Senkung der Herstellungskosten führt.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist an einem, dem Ritzel gegenüberliegenden Ende der Welle ein Drehgeber angeordnet, welcher zur Erfassung der Lageänderung des Schlittens dient.
  • Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn an der vom Ritzel abgewandten Gehäusescheibe ein Steckverbinder zur elektrischen Kontaktierung des Elektromotors angeordnet ist. Alternativ kann die Kontaktierung beispielsweise auch über eine Kabelverschraubung oder einen Klemmenkasten erfolgen.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform kommt als Elektromotor ein Torquemotor zum Einsatz. Mit einem solchen, leistungsfähigen Motor kann das zum Antrieb des Zahnritzels erforderliche hohe Drehmoment ohne Zwischenschaltung eines Getriebes zur Verfügung gestellt werden.
  • Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung besteht darin, dass sich die verwendete Bauform besonders gut als Baukastenlösung verwenden lässt. Durch Variation der Motorlänge bzw. des Motordurchmessers kann die beschriebene Antriebslösung an unterschiedliche Lastdaten auf einfache und kostengünstige Art und Weise angepasst werden. Dies kann ausgeführt werden unter Beibehaltung der mechanischen Schnittstellen (Anschraubgeometrie) und der elektrischen Schnittstellen (Steckverbinder). Das Ganze wirkt sich darüber hinaus auch kostensparend bei eventuell erforderlichen Reparatur- oder Wartungsarbeiten aus.
  • Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
  • Es zeigt:
  • 1: eine Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung.
  • Eine erfindungsgemäße Antriebseinrichtung gemäß 1 dient zum gesteuerten Verfahren eines nicht dargestellten Schlittens einer Maschine gegenüber einem Maschinengrundgestell.
  • Die Antriebseinrichtung umfasst einen an einer Welle 01 angeordneten Elektromotor mit einem Stator 02 und einem Rotor 03. Als Elektromotor kommt vorzugsweise ein Torquemotor zum Einsatz. Der Rotor 03 wird von der Welle 01 getragen und auf dieser zylindrisch über eine größere Länge zentriert. Auf diese Weise kann der Rotor 03 bei minimalem Rundlauffehler ausreichend genau zentriert werden. Der Rotor 03 ist mittels eines Spannsatzes 04 auf der Welle 01 festgeklemmt. Dadurch ist eine schlupffreie Momentübertragung gewährleistet.
  • Der Elektromotor ist vorzugsweise in einem den Stator 02 umgebenden Kühlmantel 05 angeordnet. Beidseitig ist der Elektromotor mittels Gehäusescheiben 06 verschlossen. Die Gehäusescheiben 06 sind mit dem Kühlmantel 05 über mechanische Verbindungsmittel 07 fest verbunden. In die Gehäusescheiben 06 sind Ausnehmungen eingebracht, welche zur Aufnahme zweier Wälzlager 09, 10 dienen. Die beiden Wälzlager 09, 10 sind an einander gegenüberliegenden Enden der Welle 01 angeordnet. Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform kommen als Wälzlager 09, 10 ein als Festlager ausgeführtes zweireihiges Schrägkugellager 09 und ein als Loslager ausgeführtes Rillenkugellager 10 zum Einsatz.
  • An einem Ende der Welle 01 ist ein Ritzel 12 angeflanscht. Das Ritzel 12 kämmt auf einer Zahnstange 13 ab. An dem dem Ritzel 12 gegenüberliegenden Ende der Welle 01 ist ein zur Erfassung der Lageänderung eines durch die Antreibseinrichtung bewegten Schlittens dienender Drehgeber 15 angeordnet.
  • An der vom Ritzel 12 abgewandten Gehäusescheibe 06 ist außerdem ein Steckverbinder 17 angeordnet. Mittels Steckverbinder 17 kann auf zweckmäßige und kostengünstige Art und Weise die elektrische Versorgung des Elektromotors erfolgen. Bei anderen Ausführungsformen kann statt des Steckverbinders 17 auch eine Kabelverschraubung oder ein Klemmkasten für die elektrische Kontaktierung verwendet werden.
    • 01
    Welle
    02
    Stator
    03
    Rotor
    04
    Spannsatz
    05
    Kühlmantel
    06
    Gehäusescheiben
    07
    mechanische Verbindungsmittel
    08
    09
    zweireihiges Schrägkugellager
    10
    Rillenkugellager
    11
    12
    Ritzel
    13
    Zahnstange
    14
    15
    Drehgeber
    16
    17
    Steckverbinder
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 4750970 [0007]
    • - DE 10160014 C2 [0008, 0009, 0010, 0015]

Claims (13)

  1. Antriebseinrichtung für einen gesteuert verfahrbaren Schlitten einer Maschine gegenüber einem Maschinengrundgestell, umfassend: a. einen steuerbaren Elektromotor mit einem Stator (02), einem Rotor (03) und einer vom Rotor (03) angetriebenen Welle (01); b. ein auf der Welle (01) angeordnetes Ritzel (12); c. eine mit dem Ritzel (12) in Eingriff stehende Zahnstange (13), die am Maschinengrundgestell angeordnet ist; und d. mindestens zwei voneinander beabstandete Wälzlager (09, 10) zur Lagerung der Welle (01); dadurch gekennzeichnet, dass eines der Wälzlager als Festlager (09) und das andere Wälzlager als Loslager (10) ausgebildet ist.
  2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das als Festlager ausgeführte Wälzlager ein zweireihiges Schrägkugellager (09) ist, welches nahe am Ritzel (12) angeordnet ist.
  3. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das als Loslager ausgeführte Wälzlager ein Rillenkugellager (10) ist, welches entfernt vom Ritzel (12) angeordnet ist.
  4. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (03) einen T-förmigen Querschnitt aufweist.
  5. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (03) mit der Welle (01) über mechanische Befestigungsmittel verbunden ist.
  6. Antriebseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsmittel ein Spannsatz (04) ist.
  7. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ritzel (12) an einem Ende der Welle (01) angeflanscht ist.
  8. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an einem dem Ritzel (12) gegenüberliegenden Ende der Welle (01) ein Drehgeber (15) angeordnet ist.
  9. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Stator (02), Rotor (03) und Abschnitte der Welle (01) in einem einen Kühlmantel (05) und zwei stirnseitige Gehäusescheiben (06) umfassenden Gehäuse angeordnet sind.
  10. Antriebseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlager (09, 10) in zentralen Ausnehmungen der Gehäusescheiben (06) angeordnet sind.
  11. Antriebseinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass an der vom Ritzel (12) abgewandten Gehäusescheibe (06) ein Steckverbinder (17) zur elektrischen Kontaktierung des Elektromotors angeordnet ist.
  12. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor ein Torquemotor ist.
  13. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Ritzel (12) aus gehärteten Stahl besteht, und dass die Welle (01) aus ungehärteten Stahl besteht.
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