DE4127487C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Umwandeln einer Rotations- in eine Translationsbewegung mit einem durch eine Antriebseinheit angetriebenen Untersetzungsgetriebe, welches auf ein mechanisches Übertragungselement mit einem linear bewegbarem Stellglied einwirkt.
Derartige Vorrichtungen werden bspw. zur Kompensation von Durchbiegungen schwerkraftabhängiger und/oder vorgespannter Bauteile eingesetzt, etwa bei Maschinen zur Papierherstellung im Bereich des Stoffauflaufs und der Streicheinheiten oder zur Schichtdicken-Einstellung von Beschichtungsmedien bei Kaschiermaschinen. Weitere Einsatzmöglichkeiten sind bei Kunststoff- Extrusionsmaschinen oder bei Furniermaschinen zur Einstellung der Messer. Eine wesentliche Forderung an derartige Vorrichtungen ist, daß die vom Stellglied angefahrenen Positionen möglichst exakt eingehalten werden, wobei mitunter Toleranzen von kleiner als einem Mikrometer gefordert werden.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist bereits aus der DE 36 29 279 A1 bekannnt mit einem dreifstufigen und Planetengetriebe, das auf einen als Kugelumlauf-Trieb ausgeführten Umsetzungstrieb einwirkt, welcher die Rotationsbewegung in eine lineare Bewegung einer Antriebsstange umsetzt. Weiterhin ist in der DE 31 51 647 A1 eine Vorrichtung zum Umwandeln einer drehenden Bewegung in eine lineare Bewegung beschrieben, ohne daß allerdings antriebsseitig eine Drehzahlwandlung stattfindet und wobei das Übertragungselement aufgrund seiner Gewindereibung selbsthemmend wirkt. Bei der aus der DE 87 17 755 U1 bekannten Linearantriebseinheit ist Untersetzungsgetriebe ein als Planetengetriebe vorgesehen mit einem selbsthemmenden Übertragungselement in Form einer Gewindespindel. Desweiteren sind aus der US 31 78 958, US 26 60 029 und US 26 20 683 Linearantriebseinheiten mit einem Schneckengetriebe als Untersetzungsgetriebe und nicht selbsthemmenden Übertragungselementen bekannt, wobei ein auftretendes rücktreibendes Moment durch das selbsthemmende Schneckengetriebe absorbiert wird. Auch ist in der US 24 44 886 bereits angegeben, bei nicht selbsthemmend ausgeführten Übertragungselementen eine rücktreibende Kraft auf das Übertragungselement dadurch zu eliminieren, daß separate Bremsen oder Haltevorrichtungen vorgesehen werden oder bspw. einen Kugelgewindetrieb derart auszubilden, daß er nur eine Drehrichtung für die Kugeln zuläßt. Schließlich ist bereits aus der EP-A2 02 32 022 eine Linearantriebseinheit bekannt mit einem als Luftmotor, Hydraulikmotor oder Elektromotor ausgeführten Stellantrieb, welcher ein zweistufiges, spielfreies Spannungswellengetriebe antreibt. Die zweite Wellgetriebestufe dient zum Antrieb einer linear bewegbaren Spindel, mittels welcher die Streicheinheit einer Papiermaschine eingestellt werden soll.
Die Positionierung der Übertragungselemente der vorbekannten Antriebseinheiten erfolgt im allgemeinen mittels Absolut-Rückmeldung der Spindelpositionen in einem geschlossenen Regelkreis, wobei nach Erreichen der gewünschten Position die Antriebe abgeschaltet bzw. stromlos geschaltet und die Regelkreise inaktiviert werden. Gerade die unbefriedigende Positionierbarkeit und geringe Auflösung stellt einen wesentlichen Nachteil der bekannten Antriebe dar. So bedingen Reibungshysterese, mechanische Lose, Auffederungseffekte und Ruck-Gleit- Erscheinungen, sogenanntes Stick-Slip, ein ungünstiges Übertragungsverhalten, welches die Einhaltung von Positionierungen der Stellglieder im Mikrometerbereich nicht zuläßt. Desweiteren sind die bekannten Antriebe mit Schneckengetrieben und/oder Gewindespindeln einem starken Verschleiß der Übertragungselemente unterworfen. Darüber hinaus müssen viele der bekannten Antriebe spielfrei eingestellt werden, was jedoch wiederum zu einem erhöhten mechanischen Verschleiß der Antriebsteile führt. Auch hat sich gezeigt, daß bei bestimmten Applikationen die Leistungsaufnahme der Antriebe aufgrund der damit einhergehenden Wärmeentwicklung zu groß ist. Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Systeme ist auch die überaus ausgeprägte Hysteresestreuung, so daß eine Begrenzung der von den Spindeln ausgeübten Schubkraft allein mittels Leistungsbegrenzung der Antriebseinheit nicht möglich ist. Für bestimmte Applikationen sind daher bei den bekannten Systemen Überlastsicherungen, bspw. mechanische Überlastkupplungen wie bei dem aus der EP-A2 02 32 022 bekannten Antrieb, für die geregelten Maschinenteile und das Stellglied vorgesehen.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß bei kompaktem Aufbau, axial steifem und möglichst spielfreiem Antrieb, bei einer Minimierung von Hysterese und Reibungsverlusten eine optimale Positionierbarkeit des Stellgliedes erreicht ist und dabei die angefahrenen Positionen möglichst exakt gehalten werden.
Zur Lösung der Aufgabe ist es nach der Erfindung vorgesehen, daß ein bezüglich einem vom Übertragungselement ausgeübten rücktreibenden Drehmoment selbsthemmend ausgelegtes Spannungswellengetriebe vorgesehen ist und das Übertragungselement nicht selbsthemmend ausgebildet ist.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die an sich gegenläufigen Forderungen nach Hystereseminimierung einerseits und mechanischer Selbsthemmung des Systems andererseits in optimaler Weise miteinander in Einklang gebracht. Durch den Einsatz eines nicht selbsthemmenden, spielfreien mechanischen Übertragungselementes ist die Hysterese und damit auch die Systemreibung minimiert, wobei das Halten der angefahrenen Position des Stellgliedes durch die selbsthemmende Ausführung des Spannungswellengetriebes gewährleistet ist. Ein solches Spannungswellengetriebe, wie es bspw. auch in der WO-A-84 02 405 beschrieben ist, stellt ein spielfreies, hoch untersetzendes Getriebe dar und zeichnet sich durch eine geringe Hysterese bei der Drehmomentübertragung aus, wodurch das Positionierverhalten des Antriebes nochmals verbessert ist. Darüber hinaus besitzt das Spannungswellengetriebe einen im Vergleich zu anderen Umlaufgetrieben kompakten Aufbau, wie er insbesondere für den Einsatz des erfindungsgemäßen Stellantriebes bei Papierherstellungsmaschinen von besonderem Vorteil ist. Auch erweist sich die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Spannungswellengetriebe als nahezu verschleißfrei und spielfrei, und zwar über Lebensdauern hinaus, wie sie von den bekannten Antrieben üblicherweise erreicht werden. Darüber hinaus besitzt der vorgeschlagene Antrieb gegenüber den bekannten Stellantrieben eine geringere Anzahl von Bauteilen, was sich in einer erhöhten Betriebssicherheit des Systems niederschlägt. Aufgrund der Auslegung des zwischengeschalteten Getriebes als selbsthemmendes Spannungswellengetriebe ergibt sich auch eine hohe axiale Steifigkeit des Gesamtantriebes.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, daß das Übertragungselement als Kugelgewindetrieb ausgebildet ist. Hierdurch steht ein nahezu spielfreier, reibungsarmer Gewindetrieb mit hoher Laufgenauigkeit und axialer Steifigkeit sowie geringer Hysterese zur Verfügung.
Alternativ kann das Übertragungselement auch als Rollengewindetrieb, vorzugsweise als Planeten- Rollengewindetrieb, ausgebildet sein.
Die Selbsthemmung des Spannungswellengetriebes kann nach einer Ausführungsform der Erfindung dadurch realisiert werden, daß es nicht bzgl. der antriebsseitig anliegenden Drehmomentbelastungen ausgelegt, sondern bezogen auf eine vom Übertragungselement ausgeübte maximale Drehmomentbelastung überdimensioniert ist, so daß die angefahrene Position des Stellgliedes nach Abschalten, aber auch bei Ausfall der Antriebseinheit, gehalten wird mit einer Toleranz von kleiner als 1 Mikrometer.
Als Bemessungsregel für die Selbsthemmung empfiehlt es sich nach der Erfindung, die Dimensionierung des Spannungswellengetriebes dadurch festzulegen, daß bei maximaler axialer Zug- bzw. Druckbelastung auf das Stellglied das von dem Übertragungselement auf die Abtriebsseite des Spannungswellengetriebes ausgeübte Drehmoment wenigstens gleich, vorzugsweise kleiner als das rücktreibende Anlaufdrehmoment des Spannungswellengetriebes ist.
Als Einstellgröße für die Überdimensionierung ist es nach der Erfindung vorgesehen, daß das Spannungswellengetriebe bei einer abtriebsseitig anliegenden maximalen Drehmomentbelastung bezogen auf sein Nenndrehmoment bis etwa 80%, vorzugsweise 20 bis 30%, ausgelastet ist.
Hinsichtlich der Selbsthemmung des Spannungswellengetriebes ist es selbstverständlich auch möglich, eine spezielle Fettschmierung oder weitere reibungserzeugende und/oder reibungsbehaftete Elemente einzusetzen, die an der Eingangsseite des Getriebes einwirken.
Aufgrund des optimalen Übertragungsverhaltens und der geringen Hysterese bzw. Hysteresestreuung über den gesamten Bereich des Arbeitshubes des Stellgliedes ist es bei dem erfindungsgemäßen System nunmehr auch möglich, daß die Axialkraft-Begrenzung des Stellgliedes allein durch die Leistungsaufnahme der Antriebseinheit einstellbar ist. Aufwendige mechanische Überlastkupplungen wie bei den vorbekannten Antrieben, welche grundsätzlich die Gefahr eines mechanischen Spiels des Stellelementes implizieren, können daher entfallen. Hierdurch ist auch ein hoher Bedienungskomfort erreicht, da die maximale Schubkraft, insbesondere im Falle einer elektrischen Antriebseinheit, elektrisch eingestellt werden kann.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Abtriebsseite des Spannungswellengetriebes in konstruktiv einfacher Weise spielfrei, vorzugsweise mittels Schraubverbindungen, mit dem Übertragungselement verbunden sein. Auch insoweit können aufwendige Überlastsicherungen wie bei den bekannten Stellantrieben zur Vermeidung von Beschädigungen an Getriebe und den damit zusammenwirkenden Anbauteilen entfallen.
Aus Sicherheitsgründen kann es sich bei bestimmten Applikationen empfehlen, auf die Eingangswelle des Spannungswellengetriebes eine mechanische und/oder elektromechanische Bremse einwirken zu lassen.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung können als Geradführungsmittel für das Stellglied Längsnuten vorgesehen sein, in welche am Gehäuse abgestützte Roll- oder Kugelkörper, vorzugsweise spielfrei, eingreifen, wodurch neben der Verdrehsicherung des Stellgliedes zusätzlich eine Reibungs- und Verschleißoptimierung erreicht wird.
Für eine besonders kompakte Ausführungsform empfiehlt es sich nach der Erfindung, daß zumindest die Längsachsen von Spannungswellengetriebe und Stellglied koaxial zueinander angeordnet sind.
Schließlich liegt es auch im Rahmen der Erfindung, die Längsachsen von Antriebseinheit, Spannungswellengetriebe und Stellglied koaxial zueinander anzuordnen mit einer sich in Längsrichtung erstreckenden Durchführung für das Abtastelement eines Weg-Meßsystems des Stellgliedes. Durch die Anordung und Führung des Weg-Meßsystems in einem sich durch den Gesamt-Antrieb erstreckenden Längskanal werden Meßwertverfälschungen wie bei den bekannten Stellantrieben mit zusätzlichen Umlenkhebeln zur Weiterleitung der Meßinformation vermieden. Gleichzeitig ist hierdurch ein äußerst kompakter Aufbau erreicht, wobei das Tastelement der Meßeinrichtung nach außen gegen Beschädigungen oder aggressive Umwelteinflüsse zusätzlich geschützt ist. Die einzelnen Durchführungen für das Tastelement lassen sich in konstruktiv besonders vorteilhafter Weise dadurch realisieren, daß die Welle der Antriebseinheit, die Ein- und Ausgangs- bzw. die Abtriebswelle des Untersetzungsgetriebes und das Stellglied selbst als Hohlwellen ausgeführt sind.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie bspw. bei Prozeßregelungen in Papierherstellungsmaschinen, insbesondere im Bereich des Stoffauflaufes oder der Streicheinheit eingesetzt werden können.
Der Stellantrieb weist eine Antriebseinheit 1 auf, welche ein koaxiales Untersetzungsgetriebe in Form eines Spannungswellengetriebes 2 antreibt, das seinerseits auf ein mechanisches Übertragungselement 3 mit axial bewegbarem Stellglied 4 einwirkt. Am freien Ende des Stellgliedes 4 befindet sich ein Anschlußzapfen 20, an welchem das jeweilige Anbauteil gehalten ist und entsprechend der Vorschubbewegung des Stellgliedes 4 bewegt werden kann.
Die Antriebseinheit 1 ist bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel als Elektromotor ausgebildet. Seine Motorwelle 11 ist an die Eingangswelle 6 des Spannungswellengetriebes 2 angekuppelt. Das Spannungswellengetriebe 2 besteht antriebsseitig aus einem sogenannten Wellengenerator 5, welcher die Form einer Ellipse aufweist und bei einer Drehung der Eingangswelle 6 wellenförmige Bewegungen auf eine außenverzahnte Stahlbuchse 7, den sogenannten Flexible Spline, überträgt. Die außenverzahnte Stahlbuchse 7, welche während des Betriebes ständigen Verformungen unterworfen ist, wälzt sich an den Innenverzahnungen zweier Außenringe 8, 9 ab. Der eingangsseitig angeordnete Außenring 8, welcher auch als Circular Spline bezeichnet wird, hat eine geringfügig größere Zähnezahl als die Stahlbuchse 7 und ist drehfest am Gehäuse 10 gehalten, während der ausgangs- bzw. abtriebsseitige Außenring 9, welcher als Dynamic Spline bezeichnet wird, die gleiche Zähnezahl wie die außenverzahnte Stahlbuchse 7 aufweist. Bei Drehung des Wellgenerators 5 ergeben sich aufgrund der geringen Zähnezahldifferenz von Stahlbuchse 7 und Außenring 8 hohe Untersetzungsverhältnisse.
Wie weiterhin aus der Figur zu ersehen, ist das mechanische Übertragungselement 3 als Kugelgewindetrieb ausgebildet mit einer Gewindespindel als Stellglied 4 und einer Kugelgewindemutter 12, welche spielfrei mittels Schraubverbindungen 13 über einen Abtriebsflansch 18 mit dem Außenring 9 des Spannungswellengetriebes 2 verbunden ist. Bei eingeschalteter Antriebseinheit 1 wird somit eine Rotationsbewegung mit relativ kleinem Drehmoment über das Spannungswellengetriebe 2 in eine Translationsbewegung der Gewindespindel 4 mit relativ großer Zug- oder Druckkraft übertragen.
Das Spannungswellengetriebe 2 ist bzgl. einer von dem mechanischen Übertragungselement 3 ausgehenden maximalen Drehmomentbelastung überdimensioniert. Durch diese Überdimensionierung wird verhindert, daß eine maximale axiale Lastbeaufschlagung der Gewindespindel 4 zu einer Drehwinkeländerung des Spannungswellengetriebes 2 führt. Das Spannungswellengetriebe 2 wirkt daher bezüglich abtriebsseitiger Drehmomentbelastungen selbsthemmend. Hierdurch ist gewährleistet, daß bei Erreichen der gewünschten Positionen der Gewindespindel 4 und Abschalten der Antriebseinheit 1 die jeweils angefahrene Position der Gewindespindel 4 exakt gehalten wird, wobei Toleranzen von weniger als 1 Mikrometer erreichbar sind.
Durch die Ausführung des Spannungswellengetriebes 2 als selbsthemmendes Untersetzungsgetriebe und den Einsatz eines nicht selbsthemmenden mechanischen Übertragungselementes in Form eines Kugelgewindetriebes 3 ergibt sich eine Minimierung der System-Hysterese bei optimalen Positionierverhalten.
Eine Auslegung des Getriebes kann bspw. dadurch erfolgen, daß das bei maximaler axialer Zug- bzw. Druckbelastung der Gewindespindel 4 von dem mechanischen Übertragungselement 3 auf die Abtriebsseite des Spannungswellengetriebes 2 ausgeübte Drehmoment niedriger ist als das rücktreibende Anlaufdrehmoment des Spannungswellengetriebes 2, wobei zusätzlich noch ein Sicherheitsfaktor berücksichtigt werden sollte. So kann die Selbsthemmung des Spannungswellengetriebes 2 dadurch erreicht werden, daß es bezogen auf sein Nenndrehmoment bei einer abtriebsseitig anliegenden maximalen Drehmomentbelastung nur bis etwa 20% ausgelastet ist.
Aufgrund der geringen Hysterese bzw. Hysteresestreuung und des optimalen Übertragungsverhaltens des Stellantriebes ist es auch möglich, daß die Axialkraft-Begrenzung der Gewindespindel 4 allein durch die Leistungsaufnahme der Antriebseinheit 1 bzw. des Elektromotores eingestellt wird.
Für eine Verdrehsicherung der Gewindespindel 4 sind Geradführungsmittel vorgesehen mit in die Gewindespindel 4 eingearbeitete Längsnuten 14, in welche in korrespondierenden Längsnuten 15 des Gehäuses 10 abgestützte Kugelkörper 16 spielfrei eingreifen.
Wie aus der Figur weiterhin ersichtlich, sind die Motorwelle 11 der Antriebseinheit 1, die Eingangswelle 6 und die Ausgangswelle bzw. der Abtriebsflansch 18 des Spannungswellengetriebes 2 und ebenso die Gewindespindel 4 auf einer gemeinsamen Längsachse des Systems angeordnet, wobei diese einzelnen Bauteile jeweils als Hohlwellen ausgebildet sind und eine sich in Längsrichtung erstreckende Durchführung 19 für ein Tastelement 17 eines Weg-Meßsystems definieren. Das Weg-Meßsystem dient zur Bestimmng der jeweiligen Position des Stellgliedes 4 und kann mit einem (nicht dargestellten) elektrischen Signalgeber, bspw. einem induktiven Absolutgeber, ausgerüstet sein, dessen Ausgangssignale einer Regelung zur Einstellung der Gewindespindel 4 oder einem Prozeßleitsystem zugeführt werden. Zusätzlich weist das Weg-Meßsystem bei der hier gezeigten Ausführungsform ein mechanisches Anzeigegerät in Form einer Meßuhr 21 auf, welche zur Kontrolle der elektrisch gemessenen Daten, aber auch als Redundanzeinrichtung für eine manuelle Einstellung der Gewindespindel 4 dient, sowie ein Handrad 22, mittels welchem eine Justierung bzw. ein Nullabgleich von elektrischem und mechanischem Signalgeber vorgenommen werden kann.
Bezugszeichenliste
 1 Antriebseinheit, Elektromotor
 2 Spannungswellengetriebe
 3 Übertragungselement, Kugelgewindetrieb
 4 Stellglied, Gewindespindel
 5 Wellengenrator
 6 Eingangswelle
 7 Stahlbuchse
 8 Außenring
 9 Außenring
10 Gehäuse
11 Motorwelle
12 Kugelgewindemutter
13 Schraubverbindung
14 Längsnut
15 Längsnut
16 Kugelkörper
17 Abtastelement
18 Abtriebsflansch
19 Durchführung
20 Anschlußzapfen
21 Meßuhr
22 Handrad

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Umwandeln einer Rotations- in eine Translationsbewegung mit einem durch eine Antriebseinheit (1) angetriebenen Untersetzungsgetriebe, welches auf ein mechanisches Übertragungselement (3) mit linear bewegbarem Stellglied (4) einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß ein bezüglich einem vom Übertragungselement (3) ausgeübten rücktreibenden Drehmoment selbsthemmend ausgelegtes Spannungswellengetriebe (2) vorgesehen ist und das Übertragungselement (3) nicht selbsthemmend ausgebildet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungselement (3) als Kugelgewindetrieb ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungselement (3) als Rollengewindetrieb, vorzugsweise als Planeten- Rollengewindetrieb, ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungswellengetriebe (2) bezogen auf eine vom Übertragungselement (3) ausgeübte maximale Drehmomentbelastung überdimensioniert ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dimensionierung des Spannungswellengetriebes (2) dadurch bestimmt ist, daß bei maximaler axialer Zug- bzw. Druckbelastung auf das Stellglied (4) das von dem Übertragungselement (3) auf die Abtriebsseite des Spannungswellengetriebes (2) ausgeübte Drehmoment wenigstens gleich, vorzugsweise kleiner als das rücktreibende Anlaufdrehmoment des Spannungswellengetriebes (2) ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungswellengetriebe (2) bei einer abtriebsseitig anliegenden maximalen Drehmomentbelastung bezogen auf sein Nenndrehmoment bis etwa 80%, vorzugsweise 20 bis 30%, ausgelastet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtriebsseite des Spannungswellengetriebes (2) spielfrei, vorzugsweise mittels Schraubverbindungen (13) , mit dem Übertragungselement (3) verbunden ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialkraft-Begrenzung des Stellgliedes (4) durch die Leistungsaufnahme der Antriebseinheit (1) einstellbar ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Eingangswelle (6) des Spannungswellengetriebes (2) eine mechanische und/oder elektromechanische Bremse einwirkt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Geradführungsmittel für das Stellglied (4) Längsnuten (14, 15) vorgesehen sind, in welche am Gehäuse (10) abgestützte Roll- oder Kugelkörper (16), vorzugsweise spielfrei, eingreifen.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Längsachsen von Spannungswellengetriebe (2) und Stellglied (4) koaxial zueinander angeordnet sind.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen von Antriebseinheit (1), Spannungswellengetriebe (2) und Stellglied (4) koaxial zueinander angeordnet sind mit einer sich in Längsrichtung erstreckenden Durchführung (19) für das Abtastelement (17) eines Weg-Meßsystems für das Stellglied (4).
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