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Die
Erfindung betrifft eine Linearantriebsvorrichtung, mit einem Linearantrieb,
der ein zu einer linearen Abtriebsbewegung antreibbares Abtriebsteil aufweist,
das über
eine Koppeleinrichtung mit einem an einer Linearführung in
einer zur Richtung der Abtriebsbewegung parallelen Bewegungsrichtung
verschiebbar geführten
Führungsteil
antriebsmäßig gekoppelt
oder koppelbar ist, wobei die Koppeleinrichtung mindestens ein zug-
und drucksteifes, einerseits mit dem Abtriebsteil und andererseits
mit dem Führungsteil
verbundenes oder verbindbares Koppelglied aufweist.
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Bei
einer aus der
EP 0
744 554 B1 bekannten Linearantriebsvorrichtung dieser Art
ist das Abtriebsteil eines fluidbetätigten Linearantriebes mit
einem an einer Stangenführung
verschiebbar geführten
Führungsteil
antriebsmäßig bewegungsgekoppelt.
Auf diese Weise macht das Führungsteil
die Linearbewegung des Abtriebteils unmittelbar mit. Zur Verbindung
der beiden Komponenten ist eine Koppeleinrichtung vorhanden, die
ein zug- und drucksteifes, zugleich jedoch federnd biegeelas tisches
Koppelglied aufweist, welches einenends an dem Antriebsteil und
andernends an dem Führungsteil schwenkbeweglich
gelagert ist. Aufgrund dieser Lagerung und der Biegeelastizität des Koppelgliedes
ist die Koppeleinrichtung in der Lage, eventuelle Unparallelitäten in der
Bewegungsrichtung des Abtriebsteils und des Führungsteils spielfrei auszugleichen. Der
Herstellungsaufwand für
die Koppeleinrichtung ist jedoch relativ groß.
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Aus
der
DE 201 07 002
U1 geht ein Winkelgelenk hervor, das eine gelenkige Verbindung
zweier Bauteile mittels einer in einer Kugelpfanne drehbar gelagerten
Gelenkkugel ermöglicht.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Maßnahmen vorzuschlagen, die
auf einfache Weise einen einen Fluchtungsfehlerausgleich bewirkende
antriebsmäßige Kopplung
zwischen dem Abtriebsteil eines Linearantriebes und einem zugeordneten
Führungsteil
ermöglichen.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist bei einer Linearantriebsvorrichtung der eingangs
genannten Art das Koppelglied zug-, druck- und biegesteif ausgebildet
und über
je eine Kugelgelenkeinrichtung mit dem Abtriebsteil und dem Führungsteil
verbunden oder verbindbar.
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Die
beiden Kugelgelenkeinrichtungen gestatten voneinander unabhängige Relativbewegungen
des Abtriebsteils und des Führungsteils
bezüglich
dem Koppelglied, bei gleichzeitiger Gewährleistung einer in der Richtung
der Abtriebsbewegung spielfreien Kopplung zwischen dem Abtriebsteil
und dem zugeordneten Führungsteil.
Mithin eignet sich die Koppeleinrichtung für einen Ausgleich eventueller Fluchtungs-
und Winkelfehler, die eventuell zwischen dem Antriebsteil des Linearantriebes
und einem im Betrieb in der Regel mit einer zu bewegenden Last verbundenen
oder verbindbaren Führungsteil
auftreten bzw. vorhanden sind. Dadurch wird verhindert, dass rückwirkende
Kräfte
aufgrund von Überbestimmungen
einen vorzeitigen Verschleiß hervorrufen. Gleichzeitig
kann durch die in Richtung der Abtriebsbewegung absolut spielfreie
Kopplung eine präzise Positionierung
des Führungsteils
und einer damit eventuell verbundenen Last gewährleistet werden. Somit eignet
sich die Kopplungseinrichtung insbesondere auch für den Bereich
der Servopneumatik, bei dem die Positioniergenauigkeit eine besondere Rolle
spielt. Bei alledem sind durch den einfachen Aufbau sehr günstige Herstellkosten
erzielbar.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Bei
dem Linearantrieb handelt es sich zweckmäßigerweise um einen fluidbetätigten Linearantrieb
und hierbei insbesondere um einen mit Druckluft betriebenen, pneumatischen
Linearantrieb.
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Der
Linearantrieb verfügt
zweckmäßigerweise über eine
eigene Linearführung
für das
Abtriebsteil, die beispielsweise an der Außenseite des Antriebsgehäuses angeordnet
ist, wobei sie sich dazu eignen kann, ein schlittenartig ausgebildetes
Abtriebsteil zu führen.
Letzteres ist vor allem relevant für eine Bauform als kolbenstangenloser
Linearantrieb, bei dem sich das Abtriebsteil ausschließlich längs des
Antriebsgehäuses
bewegt und über
dessen Stirnseiten nicht ausfährt.
Exemplarisch kann hier bei fluidbetätigten Linearantrieben insbesondere
auf sogenannte Schlitzzylinder verwiesen werden, aber auch auf Linearantriebe
mit berührungsloser,
magnetischer Kraftübertragung
auf das Abtriebsteil.
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Die
Koppeleinrichtung kann zur direkten Befestigung seines Koppelgliedes
am Abtriebsteil und/oder am Führungsteil
ausgebildet sein. Eine erleichterte Handhabung resultiert jedoch
aus einer Bauform, bei der die Koppeleinrichtung über je ein Sockelelement
zur bevorzugt lösbaren
Befestigung am Abtriebsteil und auch am Führungsteil verfügt, wobei
zwischen jedem Sockelelement und dem Koppelglied eine der beiden
Kugelgelenkeinrichtungen zwischengeschaltet ist.
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Die
Kugelgelenkeinrichtung umfasst vorzugsweise eine am Koppelglied
angeordnete Kugelaufnahme und eine darin in alle Richtungen um ihr Kugelzentrum
drehbare Lagerkugel, wobei an der Lagerkugel Befestigungsmittel
zur direkten oder indirekten Verbindung mit dem Abtriebsteil bzw.
dem Führungsteil
angeordnet sind. Solche Befestigungsmittel können beispielsweise als radial
von der Lagerkugel abstehender Befestigungsschaft ausgeführt sein,
insbesondere mit einem Befestigungsgewinde.
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Bevorzugt
weist das Koppelglied zumindest im Bereich ihrer Kugelaufnahmen
und vorzugsweise gesamthaft Flachgestalt auf. Die Kugelaufnahme kann
hier von einer Durchbrechung des Koppelgliedes gebildet sein, deren
umfangsseitige Begrenzungsfläche
eine der Kugelwölbung
entsprechende konkave Lagerfläche
für die
Lagerkugel bildet. Die Lagerfläche
ist insbesondere vergleichbar einer äquatorialen Kugelzone gestaltet.
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Vor
allem wenn das Koppelglied aus Kunststoffmaterial besteht, kann
die Lagerkugel sehr einfach durch Einpressen in die zugeordnete
Kugelaufnahme eingesetzt sein. Dies begüns tigt insbesondere auch eine
einstückige
Ausbildung des Koppelgliedes, insbesondere als Spritzgussteil.
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In
Abhängigkeit
vom Anwendungsfall können
die an den Lagerungskugeln angeordneten Befestigungsmittel zur gleichen
Seite oder zu entgegengesetzten Seiten weisen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In
dieser zeigen:
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1 eine
bevorzugte erste Bauform der erfindungsgemäßen Linearantriebsvorrichtung
in einer Vorderansicht,
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2 die
Linearantriebsvorrichtung aus 1 in einer
Rückansicht,
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3 die
Linearantriebsvorrichtung aus 1 im Querschnitt
gemäß Schnittlinie
III-III,
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4 die
Linearantriebsvorrichtung aus 1 in einem
im Bereich der Koppeleinrichtung durchgeführten Längsschnitt gemäß Schnittlinie IV-IV
und
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5 das
in 4 umrahmte Detail V in vergrößerter Darstellung.
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Die
in ihrer Gesamtheit mit Bezugsziffer 1 bezeichnete Linearantriebsvorrichtung
enthält
einen Linearantrieb 2 mit einem Abtriebsteil 5,
das im Betrieb des Linearantriebes 2 zu einer durch einen
Doppelpfeil angedeuteten hin und her gehenden linearen Abtriebsbewegung 4 antreibbar
ist. Die Richtung der Abtriebsbewegung 4 wird durch eine
zu dem Linearantrieb 2 gehörende erste Linearführung 3 vorgegeben,
die exemplarisch als sich in Richtung der Abtriebsbewegung 4 erstreckende
Führungsschiene 3a ausgebildet
ist. Bevorzugt ist sie am Außenumfang des
Längsgestalt
aufweisenden, als Antriebsgehäuse 6 bezeichneten
Gehäuses
des Linearantriebes 2 angeordnet. Sie kann mit diesem Antriebsgehäuse 6 wie
abgebildet einstückig
ausgeführt
sein, wenngleich auch eine Realisierung als gesonderte Komponente
möglich
wäre.
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Das
Antriebsgehäuse 6 beherbergt
in seinem Innern ganz oder teilweise die zum Antreiben des Abtriebsteils 5 dienenden
Antriebsmittel 7. Diese umfassen beim Ausführungsbeispiel,
bei dem der Linearantrieb 2 ein fluidbetätigter und
insbesondere ein pneumatisch betätigter
Linearantrieb 2 ist, einen Antriebskolben 8, der
in einem sich längs
des Antriebsgehäuses 6 erstreckenden
Aufnahmeraum 12 verschiebbar gelagert ist. Er ist mit Dichtungsmittel 13 ausgestattet, über die
er dichtend mit der Wandung des Aufnahmeraumes 12 kooperiert,
so dass er den Aufnahmeraum 12 axial in zwei Arbeitskammern 14a, 14b un terteilt.
Letztere sind über
nicht näher
gezeigte, die Wandung des Antriebsgehäuses 6 durchsetzende
Fluidkanäle
gesteuert mit Druckmedium beaufschlagbar, um den Antriebskolben 8 in
der einen oder anderen Richtung axial zu verlagern.
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Durch
eine Kraftübertragungseinrichtung 15 ist
der Antriebskolben 8 mit dem Abtriebsteil 5 derart bewegungsgekoppelt,
dass Letzteres die Linearbewegung des Antriebskolbens 8 unter
Ausführung
der Abtriebsbewegung 4 synchron mitmacht.
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Der
Linearantrieb 2 könnte
ein Arbeitszylinder sein, bei dem die Kraftübertragungseinrichtung 15 von
einer eine stirnseitige Abschlusswand des Antriebsgehäuses 6 durchsetzenden
Kolbenstange gebildet ist, die außerhalb des Antriebsgehäuses 6 an dem
Abtriebsteil 5 angreift oder dieses selbst bildet. Bevorzugt
kommt die Erfindung jedoch bei einem sogenannten kolbenstangenlosen
Linearantrieb 2 zum Einsatz, wie er aus der Zeichnung exemplarisch
hervorgeht. Hier ist das Antriebsgehäuse 6 an einer Stelle
des Umfanges des Aufnahmeraumes 12 längs geschlitzt, wobei durch
den Längsschlitz 16 ein
zu der Kraftübertragungseinrichtung 15 gehörender Mitnehmer 17 hindurchgreift,
der den Antriebskolben 8 mit dem Abtriebsteil 5 antriebsmäßig verbindet.
Er kann durch eine am Abtriebsteil 5 angebrachte Abdeckung 18 verdeckt
sein.
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Im
Bereich der beiden Arbeitskammern 14a, 14b ist
der Längsschlitz 16 durch
ein von innen her an seinen Schlitzflanken anliegendes Dichtband 22 abgedeckt.
Dieses wird im Bereich des Antriebskolbens 8 in dem zwischen
den beiden Dichtungsmitteln 13 liegenden Bereich durch
nicht näher
gezeigte Beaufschlagungsmittel nach innen vom Längsschlitz abgehoben, um den
Durchgriff des Mitnehmers 17 durch den Längsschlitz 16 zu
ermöglichen.
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Abweichend
vom Ausführungsbeispiel
könnte
der Linearantrieb 2 beispielsweise auch ein elektrischer
oder ein elektrofluidischer Linearantrieb sein.
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Das
Abtriebsteil 5 kann insbesondere schlittenartig ausgebildet
sein. Zweckmäßigerweise
umgreift es die Führungsschiene 3a der
ersten Linearführung 3 klammerartig
(siehe 3). Am Abtriebsteil 5 angeordnete Lagermittel 23 bewirken
den Führungskontakt
mit der ersten Linerführung 3.
Die Lagermittel 23 können
Gleitlagermittel und/oder Wälzlagermittel
sein.
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Eine
insgesamt mit Bezugsziffer 24 bezeichnete Koppeleinrichtung 24 der
Linerantriebsvorrichtung 1 ermöglicht in Richtung der Abtriebsbewegung 4 – im Folgenden
vereinfacht auch als „axiale
Richtung" bezeichnet – eine spielfreie
Mitnahmeverbindung mit einem an einer weiteren, zweiten Linearführung 25 in
deren Längsrichtung
verschiebbar geführten
Führungsteil 26.
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Die
Bewegung des Führungsteils 26 sei
als Führungsbewegung 27 bezeichnet.
Die zweite Linearführung 25 ist
so ausgebildet, dass die Bewegungsrichtung der Führungsbewegung 27 zur
Bewegungsrichtung der Abtriebsbewegung 4 parallel verläuft. Zumindest
ist dies der Anspruch bei der Realisierung der Gesamtanordnung.
In der Praxis werden sich jedoch zumindest minimale Abweichungen
in der Parallelität
zwischen Abtriebsbewegung 4 und Führungsbewegung 27 aufgrund
von Herstellungs- und
Montagetoleranzen nie vollständig
ausschließen lassen.
Diese Abweichungen, welche man als Fluchtungs- und Winkelfehler
bezeichnen kann, können bei
einer insgesamt starren Kopplung von Abtriebsteil 5 und
Führungsteil 26 zu
einem erhöhten
Verschleiß und
mithin zu einer Verringerung der Lebensdauer führen. Die Koppeleinrichtung 24 reduziert oder
eliminiert diese Problematik, indem sie zwar in axialer Richtung
eine spielfreie Mitnahmekopplung zwischen Abtriebsteil 5 und
Führungsteil 26 bewirkt, im übrigen aber
Relativbewegungen zwischen den genannten Komponenten zulässt, um
etwaige Fluchtungs- und Winkelfehler selbsttätig zu kompensieren.
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Die
zweite Linearführung 25 ist
beim Ausführungsbeispiel
eine Stangenführung.
Sie enthält
mindestens eine und vorzugsweise wenigstens zwei in Parallellage
längsseits
nebeneinander verlaufende Führungsstangen 25a, 25b,
an denen das Führungsteil
in Längsrichtung
verfahrbar geführt
ist. Andere Bauformen für
die zweite Linearführung 25 sind
jedoch ebenfalls möglich.
Beispielsweise könnte
sie von einer oder mehreren Führungsschienen
gebildet sein.
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Die
zweite Linearführung 25 wie
auch das dieser zugeordnete Führungsteil 26 können beispielsweise
Bestandteil einer Maschine oder Anlage sein, mit der der Linearantrieb 2 unter
Vermittlung der Koppeleinrichtung 24 antriebsmäßig koppelbar
ist, um eine Antriebskraft zu liefern. Hierbei kann der Linearantrieb 2 unabhängig von
der zweiten Linearführung 25 installierbar
sein. Bei 28 ist schematisch eine Haltestruktur 28 angedeutet,
an der die zweite Linearführung 25 unabhängig vom
Linearantrieb 2 festgelegt ist und die beispielsweise von
einem Maschinengestell gebildet ist, an dem auch der Linearantrieb 2 mit
seinem Antriebsgehäuse 6 montiert
werden kann.
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Ungeachtet
des Vorstehenden besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Gesamtanordnung aus
Linearantrieb 2, Koppeleinrichtung 24, Führungsteil 26 und
zweiter Linearführung 25 als
Baueinheit auszuführen.
Hierbei kann dann unter Umständen
sogar auf die erste Linearführung 3 verzichtet werden.
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Das
Führungsteil 26 bildet
vorzugsweise einen Lastträger 32,
also eine Komponente, mit der eine zu bewegende Last, in welcher
Art auch immer, verbindbar ist. Er enthält zur Befestigung der zu bewegenden
Last geeignete Befestigungsmittel 33, beispielsweise unter
anderem eine Mehrzahl von Gewindebohrungen. Gemäß der strichpunktierten Abbildung
bei 32a in 2 kann der Lastträger allerdings auch
eine bezüglich
dem Führungsteil 26 gesonderte Komponente
sein, die an dem Führungsteil 26,
auf welche Art auch immer, befestigt ist.
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Die
zweite Linearführung 25 erstreckt
sich mit Abstand längsseits
neben dem Linearantrieb 2. Abtriebsteil 5 und
Führungsteil 26 sind
dabei in Richtung einer in 3 durch
eine strichpunktierte Linie angedeuteten Querachse 34 zueinander
beabstandet. Letztere spannt mit den zueinander parallelen Bewegungsrichtungen
von Abtriebsteil 5 und Führungsteil 26 eine
Hauptebene 35 der Linearantriebsvorrichtung 1 auf.
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Die
Koppeleinrichtung 24 enthält ein zugsteif, drucksteif
und biegesteif ausgebildetes Koppelglied 36, das über je eine
Kugelgelenkeinrichtung 37 sowohl mit dem Abtriebsteil 5 als
auch mit dem Führungsteil 26 verbunden
ist oder verbunden werden kann. Über
diese Anordnung wird die Antriebskraft vom Abtriebsteil 5 auf
das Führungsteil 26 übertragen.
Das Koppelglied 36 ist vorzugsweise so ausgerichtet, dass
eine die beiden Kugelgelenkeinrichtungen 37 verbindende
gerade Verbindungslinie 38 im Wesentlichen parallel zur
Richtung der Abtriebsbewegung 4 ausgerichtet ist. Eine
zumindest leichte Schrägstellung
ist jedoch ohne weiteres ebenfalls möglich. Zweckmäßig ist
es, wenn der zwischen der Verbindungslinie 38 und der Achsrichtung
der Abtriebsbewegung 4 eingeschlossene Winkel ein spitzer
Winkel ist, sofern eine Schräganordnung
vorliegt.
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Jede
Kugelgelenkeinrichtung 37 enthält eine am Koppelglied 36 angeordnete
oder ausgebildete Kugelaufnahme 42 und eine darin gelagerte
Lagerkugel 43, wobei die Lagerung ein Verdrehen der Lagerkugel 43 bezüglich der
Kugelaufnahme 42 in alle Richtungen um ihr Kugelzentrum 44 ermöglicht.
Anders ausgedrückt,
kann das Koppelglied 36 im Bereich jeder Kugelgelenkeinrichtung 37 beliebig
um das Kugelzentrum 44 verdreht bzw. verschwenkt werden.
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Jede
Lagerkugel 43 ist mit Befestigungsmitteln 45 zur
insbesondere lösbaren
Verbindung mit dem zugeordneten Abtriebsteil 5 oder Führungsteil 26 ausgestattet.
Diese Befestigungsmittel 45 enthalten zweckmäßigerweise
einen radial von der zugeordneten Lagerkugel 43 abstehenden
und insbesondere einstückig
mit der Lagerkugel 43 ausgebildeten Befestigungsschaft 46.
Dieser ist beim Ausführungsbeispiel
ein mit einem Befesti gungsgewinde ausgestatteter Gewindeschaft,
so dass eine lösbare Schraubverbindung
mit dem zugeordneten Abtriebsteil 5 oder Führungsteil 26 möglich ist.
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Das
Koppelglied 36 weist zumindest im Bereich wenigstens einer
und vorzugsweise im Bereich beider Kugelaufnahmen Flachgestalt auf.
Als optimal wird eine insgesamt flache Gestaltung des Koppelgliedes 36 angesehen,
also praktisch als Plattenelement mit beliebiger Außenkontur.
Exemplarisch ist es im Bereich der beiden Kugelaufnahmen 42 mit
kreisförmig
konturierten Endabschnitten versehen, zwischen den sich ein schmälerer Stegabschnitt
erstreckt.
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Zweckmäßigerweise
ist das Koppelglied 36 so ausgerichtet, dass seine in 3 strichpunktiert angedeutete
Hauptausdehnungsebene 47 im Wesentlichen parallel zu der
oben definierten Hauptebene 35 verläuft. Bedingt durch vorhandene
Fluchtungsfehler zwischen den beiden Linearführungen 3, 25 sind
jedoch auch andere Ausrichtungen möglich.
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Die
Dicke des Koppelgliedes 36 ist zumindest im Bereich der
Kugelaufnahmen 32 zweckmäßigerweise geringer als der
Durchmesser der zugeordneten Lagerkugel 43. Diese ragt
mithin gemäß 4 und 5 beidseits über das
Koppelglied 36 hinaus.
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Die
Befestigungsmittel 45 sind quer zur Hauptausdehnungsebene 47 des
Koppelgliedes 36 orientiert.
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Beim
Ausführungsbeispiel
weisen die Befestigungsmittel 35, ausgehend von der Hauptausdehnungsebene 47,
zur gleichen Seite. Sie können
allerdings auch einander entgegengesetzt orientiert sein. Die Art
der Anordnung wird sich insbesondere an den Gegebenheiten der Zuordnung
zwischen Abtriebsteil 5 und Führungsteil 26 orientieren.
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Die
Kugelaufnahme 42 ist beim Ausführungsbeispiel von einer Durchbrechung
des Koppelgliedes 36 gebildet, deren umfangsseitige Begrenzungsfläche die
Lagerfläche 48 für die drehbar
aufgenommene Lagerkugel 43 bildet oder aufweist. Damit die
Lagerkugel 43 nicht herausfallen kann, ist die Lagerfläche 48 konkav
geformt, entsprechend der Kugelwölbung.
Sie hat beim Ausführungsbeispiel
die Gestalt einer zur Äquatorialebene
symmetrischen Kugelzone im mathematischen Sinn.
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Die
Lagerkugel 43 muss nicht in ihrer Gesamtheit eine Kugelform
aufweisen. Die Kugelform kann sich auf denjenigen Abschnitt beschränken, der unter
Berücksichtigung
der möglichen
Dreh- und Schwenkwinkel stets innerhalb der Kugelaufnahme 42 verbleibt.
Beispielhaft ist die Lagerkugel 43 auf der den Be festigungsmitteln 45 diametral
entgegengesetzten Seite abgeflacht.
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Indem
das Koppelglied 36 zumindest im Bereich der Kugelaufnahmen 42 und
zweckmäßigerweise
insgesamt aus einem Kunststoffmaterial besteht, das über eine
gewisse elastische Verformungsfähigkeit
verfügt,
gestaltet sich die Montage der Lagerkugeln 43 in ihren
Kugelaufnahmen 42 besonders einfach. Es genügt, die
Lagerkugeln 43 einfach durch eine der beiden Mündungen
der Kugelaufnahmen 42 hindurchzupressen, so dass keine
gesonderten Befestigungsmittel erforderlich sind. Dies ermöglicht eine
besonders kostengünstige
Herstellung. Insbesondere kann das Koppelglied 36 vor allem
bei einer solchen Bauform einstückig
hergestellt werden.
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Über die
Befestigungsmittel 45 könnte
jede Lagerkugel 43 direkt an einem daran angepassten Gegenstück des Abtriebsteils 5 und/oder
des Koppelgliedes 36 befestigt werden. Zweckmäßigerweise enthält die Koppeleinrichtung 24 jedoch
pro Kugelgelenkeinrichtung 37 ein Sockelelement 52,
das als Schnittstellenelement zur Verbindung der Lagerkugel 43 mit
dem Abtriebsteil 5 bzw. dem Führungsteil 26 fungiert.
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Jede
Lagerkugel 43 ist über
ihre Befestigungsmittel 45 an einem Sockelelement 52 befestigt. Je
eines der Sockelelemente 52 ist sodann über geeignete weitere Befestigungsmittel 53 am
Abtriebsteil 5 bzw. am Führungsteil 26 angebracht,
insbesondere in lösbarer
Weise. Die weiteren Befestigungsmittel 53 können insbesondere
Befestigungsschrauben sein, die durch das Sockelelement 52 hindurchführbar sind,
um anschließend
mit dem Abtriebsteil 5 bzw. dem Führungsteil 26 verschraubt
zu werden.