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Die
Erfindung betrifft einen durch Druck bewegten Linearaktuator nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Gattungsgemäße durch
Druck bewegte Linearaktuatoren, insbesondere pneumatische und hydraulische
Linearaktuatoren, stellen eine konstruktiv einfache Lösung zum
Erzeugen einer linearen Stellbewegung innerhalb eines bestimmten
Stellbereichs dar. Aufgrund des pneumatischen Antriebs sind die Aktuatoren
dabei relativ unkompliziert aufgebaut, einfach zu warten, betriebssicher,
zuverlässig,
relativ unempfindlich, einfach zu steuern, beispielsweise durch
Drosseln und Druckventile. Außerdem
können die
Linearaktuatoren preisgünstig
hergestellt werden.
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In
seinem Grundaufbau weist der Linearaktuator einen druckbeaufschlagbaren
Arbeitszylinder in einem Zylindergehäuse und einen im Arbeitszylinder
linear verschiebbaren Arbeitskolben auf. Durch Druckbeaufschlagung
des Arbeitszylinders mit einem Pneumatik- oder Hydraulikfluid, insbesondere
durch Druckbeaufschlagung mit Druckluft, kann der Arbeitskolben
relativ zum Zylindergehäuse
angetrieben werden und die lineare Stellbewegung erzeugen.
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Die
bekannten Linearaktuatoren werden in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten
verbaut und vielfach mit anderen Funktionselementen kombiniert.
Wird beispielsweise eine rotatorische Antriebsbewegung und eine
lineare Antriebsbewegung benötigt,
so können
die bekannten Linearaktuatoren mit einfachen elektromotorischen
Antriebseinheiten kombiniert verbaut werden. Nachteilig an der kombinierten
Bauweise eines pneumatischen Linearaktuators zur Axialverstellung
und eines elektromechanischen Rotationsantriebs ist es, dass derartige
Kombinationsantriebe einen relativ großen Bauraum benötigen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen neuen Linearaktuator
vorzuschlagen, mit dem zugleich ein rotatorischer Antrieb gewährleistet
werden kann und der dabei eine kompakte Bauweise ergibt.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Linearaktuator nach der Lehre des Anspruchs
1 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Grundgedanke
des erfindungsgemäßen Linearaktuators
ist es, dass der Linearaktuator einen Antriebsmotor umfasst, wobei
der Antriebsmotor in den Antriebskolben des Linearaktuators integriert
ist und/oder diesen bildet. Im Ergebnis kann der Linearaktuator
dadurch eine axiale Linearbewegung und eine rotatorische Drehbewegung
ausführen.
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Der
Arbeitskolben kann durch Druckbeaufschlagung des Arbeitszylinders
pneumatisch oder hydraulisch angetrieben werden.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Antriebsmotor für
den rotatorischen Antrieb mit seinem Motorengehäuse in den Linearaktuator integriert
und weist einen im Motorengehäuse
drehbar gelagerten und dabei rotatorisch antreibbaren Motorenläufer auf.
Die Integration des Antriebsmotors ist dabei bevorzugt so gestaltet,
dass das Motorengehäuse
des Antriebsmotors in Funktionseinheit zugleich den Antriebskolben des
Linearaktuators bildet. Aufgrund dieser Funktionsintegration des
Motorengehäuses
des Antriebsmotors für
den rotatorischen Antrieb in den pneumatischen oder hydraulischen Antriebskolben
des Linearaktuators ergibt sich eine außerordentlich kompakte Bauweise.
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Für den Betrieb
des Antriebsmotors im Linearaktuator ist insbesondere die Übertragung
von Antriebsenergie und/oder die Übertragung von Informationen
notwendig. Üblicherweise
wird die Antriebsenergieversorgung des Antriebsmotors in der Form
von elektrischer Energie an den Antriebsmotor übertragen. Dazu können beispielsweise
Versorgungsschienen mit entsprechenden Schleifkontakten zum Einsatz
kommen. Besonders einfach und zuverlässig kann die Versorgung des
Antriebsmotors im Linearaktuator realisiert werden, wenn zumindest
eine Versorgungsleitung zwischen dem Zylindergehäuse des Linearaktuators und
dem Motorengehäuse
des Antriebsmotors vorgesehen ist.
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Aufgrund
der axial verschiebbaren Lagerung des Antriebsmotors im Linearaktuator
können
fest verlegte Versorgungsleitungen zur Übertragung der Antriebsenergie
zwischen dem Zylindergehäuse
einerseits und dem darin axial verschieblichen Motorengehäuse andererseits
nicht zum Einsatz kommen. Um den notwendigen Längenausgleich der Versorgungsleitungen
zu realisieren, kann in der Versorgungsleitung ein Längenausgleichselement
zur Anpassung der Länge
vorgesehen werden. Durch das Längenausgleichselement
kann die Geometrie der Versorgungsleitung an die jeweilige Lage
des Antriebsmotors im Zylindergehäuse des Linearaktuators angepasst
werden.
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Handelt
es sich um einen elektrisch angetriebenen Antriebsmotor zur Realisierung
des Rotationsantriebs, so kann die Antriebsenergie über ein
Versorgungskabel übertragen
werden. Zur Realisierung des Längenausgleichselements
kann das Versorgungskabel dann bevorzugt einen spiralförmig gewundenen
Abschnitt aufweisen. Aufgrund seiner Elastizität kann der spiralförmig gewundene
Versorgungskabelabschnitt sich inner halb bestimmter Längengrenzen
zusammenziehen bzw. strecken und dadurch den notwendigen Längenausgleich
realisieren.
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Eine
besonders einfache und kompakte Bauweise ergibt sich, wenn die Versorgungsleitung
zwischen dem Zylindergehäuse
einerseits und dem Motorengehäuse
des Antriebsmotors andererseits durch den pneumatischen Arbeitszylinder
des Linearaktuators verläuft.
Da die Versorgungsleitung üblicherweise
druckunempfindlich ist, sind Beschädigungen der Versorgungsleitung
durch die Druckbeaufschlagung des Arbeitszylinders nicht zu befürchten. Lediglich
für einen
ausreichenden Mindestabstand des Arbeitskolbens im Arbeitszylinder
muss gesorgt werden, so dass der Arbeitskolben im oberen Totpunkt
die Versorgungsleitung nicht zerquetscht.
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Um
ein Durchdrehen des rotatorisch angetriebenen Antriebsmotors relativ
zu dem den Arbeitszylinder bildenden Zylindergehäuse auszuschließen, muss
zwischen dem Motorengehäuse
des Antriebsmotors, der als Arbeitskolben dient, und dem Zylindergehäuse des
Linearaktuators eine Drehmomentabstützung erfolgen. Diese Drehmomentabstützung kann
besonders vorteilhaft und intelligent durch eine Stütznut in
der zylindrischen Kolbenlauffläche
des pneumatischen Arbeitszylinders in Zusammenwirkung mit einem
am Motorengehäuse
des Antriebsmotors befestigten Stützelement realisiert werden. Das
Stützelement
am Motorengehäuse
steht dabei formschlüssig
mit der Stütznut
in Eingriff und verhindert auf diese Weise eine Rotationsbewegung
des Motorengehäuses
im Arbeitszylinder. Durch diese Integration der Drehmomentabstützung in
den Stellzylinder des Linearaktuators wird eine außerordentlich kompakte
Bauweise erreicht, da weitere Drehmomentabstützungen entfallen können. Es
wird somit auf einfache Weise eine äußerst zuverlässige Lösung gefunden,
die es auch ermöglicht,
gleichzeitig eine lineare und rotatorische Bewegung zu realisieren.
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Welche
Geometrie die Stütznut
aufweist, ist grundsätzlich
beliebig. Eine besonders gleichmäßige Krafteinleitung
der Drehmomente vom Motorengehäuse
in das Zylindergehäuse
wird erreicht, wenn die Stütznut
einen kreisbogenabschnittsförmigen
Querschnitt aufweist. In diese kreisbogenabschnittsförmige Stütznut kann
dann ein insbesondere kreisförmig ausgebildetes
Stützelement
formschlüssig
eingreifen, wobei aufgrund der kreisbogenabschnittsförmigen Kontaktfläche eine
sehr gleichmäßige Krafteinleitung
erreicht wird. Außerdem
wird ein Verklemmen des Motorengehäuses im Zylindergehäuse auch
bei der Übertragung
hoher Drehmomente zuverlässig ausgeschlossen.
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Auf
diese Art der Drehmomentabstützung
sei die Erfindung jedoch nicht beschränkt. Auch ist es denkbar, dies
durch eine nichtrotationssymetrische Form von Kolben und Arbeitszylinder
zu erzielen. Eine weitere, wenn jedoch auch aufwendigere Lösung ist
die Klemmung des Arbeitskolbens, wenn eine rotatorische Bewegung
realisiert werden soll. Hier können
rotatorische und lineare Bewegungen jedoch nur hintereinander ausgeführt werden.
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Eine
noch kompaktere Bauweise des Linearaktuators ergibt sich, wenn am
hinteren Ende des Zylindergehäuses
eine Steuerungseinheit angeordnet ist, die zur Steuerung der Druckbeaufschlagung des
Arbeitszylinders mit dem Antriebsfluid und/oder zur elektronischen
bzw. elektrischen Steuerung des Antriebsmotors geeignet ist. Durch
den Anbau der Steuerungseinheit zur pneumatischen/hydraulischen und/oder
elektrischen bzw. elektronischen Steuerung des gesamten Linearaktuators
an das Zylindergehäuse
können
ansonsten erforderliche pneumatische/hydraulische bzw. elektrische
Versorgungsleitungen weitgehend entfallen.
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Die
Gestaltung der Steuerungseinheit am hinteren Ende des Zylindergehäuses ist
grundsätzlich
beliebig. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist die Steuerungseinheit einen prismatischen bzw.
zylindrischen Querschnitt auf, der im Wesentlichen exakt mit dem prismatischen
oder zylindrischen Querschnitt des Zylindergehäuses fluchtet. Auf diese Weise
werden Überstände am Linearaktuator
vermieden, so dass bei Anordnung mehrerer Linearaktuatoren nebeneinander
eine sehr enge Packung der verschiedenen Linearaktuatoren nebeneinander
ermöglicht
wird.
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In
der Grundbauform enthält
das Zylindergehäuse
des Linearaktuators genau einen Antriebsmotor, so dass mit dem Linearaktuator
eine rotatorische Stellbewegung und eine axiale Stellbewegung unabhängig voneinander
realisiert werden kann. Abhängig
vom Anforderungsprofil, das mit dem Linearaktuator erfüllt werden
soll, ist es jedoch vielfach vorteilhaft, wenn das Zylindergehäuse des
Linearaktuators mehrere Arbeitszylinder umfasst, in denen jeweils
ein linear verschiebbarer Antriebsmotor vorgesehen ist. Jeder der
einzelnen Antriebsmotoren kann dabei unabhängig voneinander linear positioniert
und rotatorisch angetrieben werden.
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Für den ordnungsgemäßen Betrieb
des Linearaktuators im Hinblick auf den rotatorischen Antrieb ist
es von großer
Bedeutung, dass der drehbar gelagerte und rotatorisch antreibbare
Motorenläufer
exakt geführt
ist, da ansonsten eine korrekte Positionierung in der Wirkzone,
beispielsweise die korrekte Positionierung eines Werkzeugs relativ
zu der Bearbeitungsstelle am Werkstück, nicht gewährleistet
werden kann. Um dies in einfacher Weise zu realisieren, ist es besonders
vorteilhaft, wenn am Antriebsmotor eine Lagerhülse vorgesehen ist, in der
der Motorläufer
des Antriebsmotors frei drehbar und axial feststehend gelagert ist.
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Hinsichtlich
der axialen Verstellung des Antriebsmotors ist ebenfalls eine exakte
Führung
erforderlich, um beispielsweise ein Auswandern eines in Eingriff
befindlichen Werkzeugs relativ zur Mittelachse des Linearaktuators
zu vermeiden. Eine besonders einfache Linearführung der Lagerhülse ergibt sich,
wenn das Zylindergehäuse
an seinem einen Axialende eine Gehäuseplatte mit zumindest einer Ausnehmung
aufweist. In der Ausnehmung der Gehäuseplatte kann das Zylindergehäuse dann
von der Lagerhülse
durchgriffen werden.
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Die
Ausnehmung in der Gehäuseplatte
sollte dabei bevorzugt in der Art eines Schiebelagersitzes ausgebildet
sein, in dem die Lagerhülse
axial verschiebbar ist, so dass die Mittelachse der Lagerhülse radial
auf die Mittelachse des Linearaktuators zentriert wird.
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Der
Antriebsmotor des Linearaktuators zur Realisierung des rotatorischen
Antriebs ist bevorzugt in der Art eines regelbaren Servomotors mit
Lagesensorik ausgebildet. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn
die Drehrichtung des Antriebsmotors frei gewählt werden kann, um dadurch
beispielsweise die Drehrichtung des am Antriebsmotor befestigten Werkzeugs
frei bestimmen zu können.
Außerdem können Informationen
zur Beschreibung des Bearbeitungsvorgangs durch eine entsprechende
Lagesensorik erfasst und ausgelesen werden. Somit ist es beispielsweise
möglich,
den Werkzeugbruch oder den Verschleiß des Werkzeugs am Linearaktuator
zu erkennen und entsprechend zu reagieren. Eine Lagesensorik ermöglicht es
insbesondere auch, verschiedene Werkzeuge unabhängig voneinander zu positionieren,
insbesondere wenn ein Werkzeugwechsel durchgeführt werden soll.
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In
welcher Funktion die erfindungsgemäßen Linearaktuatoren eingesetzt
werden, ist grundsätzlich
beliebig. Besonders große
Vorteile bilden die erfindungsgemäßen Linearaktuatoren bei der
Realisierung von Mehrfachspindel-Bearbeitungsköpfen für eine Werkzeugmaschine, wie
sie insbesondere in der Möbelindustrie
zur Herstellung von komplexen Bohrbildern eingesetzt werden. Der
Motorläufer
des Antriebsmotors treibt bei dieser Bauweise die Antriebsspindel
eines Spindelaggregats an, wobei an der Antriebsspindel ihrerseits
wieder ein entsprechendes Werkzeug, insbesondere ein Bohrer oder
Fräser,
befestigt ist. Durch die lineare Verstellung des Antriebsmotors
kann das Werkzeug dann in der Bearbeitungszone geeignet vorgeschoben
werden. Die notwendige Antriebsbewegung für den rotatorischen Antrieb
des Werkzeugs wird durch den Antriebsmotor zur Verfügung gestellt.
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Um
eine möglichst
kompakte Bauweise zu ermöglichen,
sollten der Motorläufer
des Antriebsmotors und die Antriebsspindel des Spindelaggregats stoffschlüssig, insbesondere
einstückig,
miteinander verbunden sein.
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Um
eine weitere Minimierung des für
die Realisation des Linearaktuators erforderlichen Bauraums zu realisieren,
ist es gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
vorgesehen, dass die Mittelachse des Antriebsmotors und die Mittelachse
der Antriebsspindel und die Bewegungslängsachse des Linearaktuators
koaxial verlaufen und dadurch eine Aggregatmittelachse definieren.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch dargestellt und
wird nachfolgend beispielhaft erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen
Linearaktuator mit zwei von jeweils einem Antriebsmotor angetriebenen
Antriebsspindeln in perspektivischer Ansicht;
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2 den
Linearaktuator gemäß 1 in
einer ersten seitlichen Ansicht;
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3 den
Linearaktuator gemäß 1 in
einer zweiten seitlichen Ansicht;
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4 den
Linearaktuator gemäß 2 im Längsschnitt
entlang der Schnittlinie I-I;
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5 den
Linearaktuator gemäß 2 im Längsschnitt
entlang der Schnittlinie II-II;
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6 den
als pneumatischen Antriebskolben dienenden Antriebsmotor des Linearaktuators gemäß 1 in
seitlicher Ansicht;
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7 den
Antriebsmotor gemäß 6 im Längsschnitt;
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8 den
Antriebsmotor gemäß 6 in Ansicht
von oben;
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9 das
Zylindergehäuse
des Linearaktuators gemäß 1 im
Längsschnitt;
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10 das
Zylindergehäuse
gemäß 9 im
vergrößerten Querschnitt
entlang der Schnittlinie III-III.
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1 zeigt
einen Linearaktuator 01 in perspektivischer Ansicht. Der
Linearaktuator 01 weist zwei Antriebsspindeln 02 auf,
die paarweise verbaut sind und die jeweils unabhängig voneinander von einem
Antriebsmotor 03 (siehe 6 und 7)
rotatorisch und zugleich linear verstellt werden können. Dies
bedeutet mit anderen Worten, dass die Antriebsmotoren 03 mit
den daran befestigten Antriebsspindeln 02 relativ zum Zylindergehäuse 04 des
Linearaktuators 01 axial verstellt und dadurch nach vorne ausgefahren
bzw. nach hinten zurückgezogen
werden können.
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Das
Motorengehäuse 05 des
Antriebsmotors 03 dient dabei nicht nur zur Aufnahme des
rotatorisch antreibbaren Motorläufers 06 (siehe 7),
sondern in Funktionseinheit auch als pneumatischer Antriebskolben,
der durch Druckbeaufschlagung der jeweils zugeordneten pneumatischen
Arbeitszylinder 07 bzw. 08 in einer Linearbewegung
relativ zum Zylindergehäuse 04 axial
verstellt werden kann.
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An
der den Spindeln 02 abgewandten Seite des Zylindergehäuses 04 ist
eine pneumatische Steuerungseinheit 09 befestigt, in der
die pneumatischen Stellventile zur Axialverstellung der Antriebsmotoren 03 und
die elektrische Schaltung zur elektronischen Ansteuerung der Antriebsmotoren 03 eingebaut
sind. Außerdem
enthält
die Steuerungseinheit 09 auch die elektrischen Anschlüsse zur
Energieversorgung der Antriebsmotoren 03. Der Querschnitt
der Steuerungseinheit 09 entspricht dabei exakt dem prismatischen
Querschnitt des Zylindergehäuses 04, mit
mehreren Linea raktuatoren 01, die möglichst eng gepackt nebeneinander
an einem Trägermodul
befestigt werden können.
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Jede
der Spindeln 02 ist in einer Lagerhülse 10 drehbar gelagert.
Die Lagerhülsen 10 ihrerseits sind
wiederum axial verschieblich in einer Gehäuseplatte 11 im Wesentlichen
radial spielfrei gelagert, so dass ein Schiebelagersitz für die Lagerhülsen 10 realisiert
wird.
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2 und 3 zeigen
den Linearaktuator 01 in zwei seitlichen Ansichten, wobei
in den dargestellten Ansichten die eine Antriebsspindel 02 eingefahren
und die andere Antriebsspindel 02 ausgefahren ist.
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4 zeigt
den Linearaktuator 01 entlang der Schnittlinie I-I, d.
h. in einem Längsschnitt
durch die in das Zylindergehäuse 04 voll
eingefahrene Arbeitsspindel 02. Das Zylindergehäuse 04 enthält zur pneumatischen
Verstellung der beiden Antriebsmotoren 03 zwei pneumatische
Arbeitszylinder 07 und 08, in denen durch Ansteuerung
von Pneumatik-Ventilen in der Steuerungseinheit 09 ein
pneumatischer Über- bzw.
Unterdruck aufgebaut werden kann. Je nach Druckverhältnissen
in den pneumatischen Arbeitszylindern 07 und 08 werden
die als pneumatische Antriebskolben dienenden Motorengehäuse 05 der
Antriebsmotoren 03 axial ausgefahren bzw. axial eingefahren.
Zur Abdichtung des als Antriebskolben dienenden Motorengehäuses 05 gegenüber dem
pneumatischen Arbeitszylinder 07 bzw. 08 sind
jeweils am Außenumfang
der Motorengehäuse 05 zwei
Dichtringe 12 vorgesehen.
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Zur
Versorgung der beiden Antriebsmotoren 03 im Linearaktuator 01 mit
elektrischer Energie verläuft
in den beiden pneumatischen Arbeitszylindern 07 und 08 jeweils
eine spiralförmig
gewundene Versorgungsleitung 13, die lediglich in 4 angedeutet ist.
Die Leitung 13 erstreckt sich dabei von einem Anschluss
am hinteren Ende des Antriebsmotors 03 zu den Anschlüssen in
der Steuerungseinheit 09.
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Zur
Drehmomentabstützung
der Antriebsmotoren 03 gegenüber dem Zylindergehäuse 04 dient ein
jeweils am hinteren Ende der Antriebsmotoren 03 befestigtes
Stützelement 14,
das radial ein stückweit über den
zylindrischen Umfang des Gehäuses 05 des
Antriebsmotors 03 hinausgreift und formschlüssig in
eine Stütznut 15 in
der Kolbenlauffläche 16 der beiden
pneumatischen Stellzylinder 07 und 08 eingreift.
Der geringfügige
radiale Überstand
des kreisförmigen
Stützelements 14 gegenüber dem
Gehäuse 05 des
Antriebsmotors 03 ist insbesondere aus 8 ersichtlich.
Als Stützelement
dient dabei eine kreisförmige
Platte, die von hinten auf das Gehäuse 05 des Antriebsmotors 03 aufgeschraubt
wird.
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9 und 10 zeigen
die Stütznut 15,
die sich jeweils in der Kolbenlauffläche 16 der beiden
Arbeitszylinder 07 und 08 in Richtung der Längsachse des
Linearaktuators 01 erstreckt. In 9 ist dabei lediglich
die Stütznut
des Stellzylinders 07 dargestellt. Die Länge der
Stütznuten 15 ist
dabei ein stückweit
größer als
der maximale Hub 17 der beiden Antriebsmotoren 03 gegenüber dem
Zylindergehäuse 04 (siehe
Stellung des Antriebsmotors 03 in 4 relativ
zur Stellung des Antriebsmotors 03 in 5). Aufgrund
der Anordnung der Stütznut 15 in
der oberen Hälfte
der Arbeitszylinder 07 und 08 ist außerdem gewährleistet,
dass die Dichtringe 12 jeweils unterhalb der Stütznuten 15 liegen
und somit jederzeit eine ausreichende Abdichtung der Stellzylinder 07 und 08 gewährleistet
ist.
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- 01
- Linearaktuator
- 02
- Spindel
- 03
- Antriebsmotor
- 04
- Zylindergehäuse
- 05
- Motorengehäuse (Antriebsmotor)
- 06
- Motorläufer
- 07
- Arbeitszylinder
- 08
- Arbeitszylinder
- 09
- Steuerungseinheit
- 10
- Lagerhülse
- 11
- Gehäuseplatte
- 12
- Dichtring
- 13
- Versorgungsleitung
- 14
- Stützelement
- 15
- Stütznut
- 16
- Kolbenlauffläche
- 17
- Axialer
Arbeitshub