| US3399578A | 1968-09-03 | |||
| DE2910373A1 | 1980-09-25 | |||
| US3850043A | 1974-11-26 | |||
| FR2219342A1 | 1974-09-20 | |||
| GB2130682A | 1984-06-06 | |||
| US3151494A | 1964-10-06 |
| 1. | Antriebsvorrichtung zum spielfreien Umwandeln einer Drehbewegung in eine Linearbewegung mit Hilfe eines Z nrieme s (1.1) und eines mit diesem in Eingriff stehenden AntriebsZahnrades (14), insbesondere für die schnelle und repetierbare Verstellung von Werkzeugen oder Verkzeugtischen, wobei mindestens eine in Ver¬ stellrichtung verlaufende Zahnstange (10) vorhanden ist, mit der der Zahnriemen (11) ständig in Eingriff ist, wo¬ bei zu beiden Seiten des AntriebsZahnrades ( ) Bogen führungen vorgesehen sind, die den Zahnriemen (11) so in Eingriff mit der Zahnstange θ) halten, daß ein be¬ stimmter Abschnitt (3) die Belastung aufnimmt und nur ein kurzer, definierter Abschnitt (D) des Zahnriemens (1 ) außer Eingriff mit der Verzahnung ist und wobei der Zahnriemen (11) als endlose Schleife ausgebildet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , ErsatzDiatt βAB ORIGINAL '. |
| 2. | daß die endlose Schleife des Zahnriemens (11) mit ihrer Rückseite zwei Umlenkrollen (12, 13) kraft¬ schlüssig umschlingt und das Ant iebszahn d ( ■*•<) von der der Zahnstange (1G) abgewanάten Seite der Schleife her zwischen den Umlenkrollen (12, 13) derart in den Zahnriemen (11) eingreift, daß nur ein vernachlässigbar geringer Abschnitt (D) des Zahnrie¬ mens (11) weder eine form noch eine kraf schlüssige Abstützung besitzt. |
| 3. | 2 Antriebs orrichtung nach. Anspruch , a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß da3 Antriebszahnrad (14) in axialer Richtung zumindest einseitig von einer Zylinderrolle (21) mit gering¬ fügig größerem Durchmesser als der Kopfkreis des An— triebsZahnrades (14) begrenzt wird und die erwähnte •Zylinderrolie (21) auf einer oder beiden Umlenkrollen (12, 13) abwälzt. |
| 4. | Antriebsvorrichtung nach, einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Achsen (16, 17) der Ualenkrolien (12, 13) über ein Gestell (19. 20) miteinander verbunden sind. |
| 5. | AntriebsVorrichtung nach Anspruch 3» d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß es sich um ein in sich starres, jedoch insgesamt höhenbeweg liches Gestell handelt. 5« Antriebsvorrichtung nach Anspruch 3. |
| 6. | d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß es sich um ein Achsabstandsänderungen zulassendes gelenkiges Gestell (19, 20) handelt. |
| 7. | Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5. d a d u r c h " g e k e n n z e i c h n e t daß auch die Achse (19) des AntriebsZahnrades (14) mit dem Gestell (19, 20) verbunden ist. |
| 8. | Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e e n n z e i c h n e t daß im Eingri fsbereich zwischen Zahnriemen (11) und Zahnstange (10) zwischen den Umlenkrollen (12, 13) eine zusätzliche Andrückkufe (15) vorhanden ist, die den Zahnrienien (1 ) von seiner Rückseite her in die Ver¬ zahnung der Zahnstange (10) eindrückt. |
| 9. | Antriebsvorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h' g e k e n n z e i c h n e t , daß die Andrück__rιfe (15) in. ihrer Berührungs läche mit luft¬ polsteraufbauenden Luftaustrittsdüsen versehen ist. |
| 10. | Antriebsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Andrückrollen vorhanden sind, die die Andrückkufe (15) ganz oder teilweise ersetzen. |
| 11. | Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9» d a d u r c h g e n n z e i c h n e t daß es sich um einen Zahnriemen (11) mit geringem Flankenwinkel handelt. _*.: . |
| 12. | Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9» d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß es sich um einen Zahnriemen (11) mit im wesentlichen halbkreisförmigen Zahnque_rschnitten handelt. |
BESCHREIBUNG:
Die Neuerung bezieht sich auf eine Antriebsvorrichtung zum spielfreien Umwandeln einer Drehbewegung in eine Linearbewegung mit Hilfe eines Zahnriemens und eines mit diesem in Eingriff stehenden Antriebszahnrades, insbesondere für die schnelle und repetierbare Ver¬ stellung von Werkzeugen oder Werkzeugtischen, wobei mindestens eine in " Verstellrichtung verlaufende Zahn¬ stange vorhanden ist und wobei zu beiden Seiten des An¬ triebszahnrades Bogenfuhrungen vorgesehen sind, die den Zahnriemen so in Eingriff mit der Zahnstange halten, daß ein Abschnitt die Belastung aufnimmt und nur ein kurzer, definierter Abschnitt des Zahnriemens außer Eingriff mit der Verzahnung ist und wobei weiter der Zahnriemen als endlose Schleife ausgebildet ist.
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Eine solche Antriebsvσrrichtung ist aus dem deutschen Patent 29 0 373 grundsätzlich bekannt.
An die Leistungsfähigkeit und Genauigkeit von Meß- und Werkzeugmaschinen, bei denen Schlitten, Supporte, Werkzeuge oder Werkzeugtische Linearbewegungen und bei Maschinen mit Kreuzschlitten gleichzeitige Be¬ wegungen in Richtung der beiden Koordinaten ausfüh¬ ren müssen, sollen die Linearbewegungen nicht nur schnell, d. h. mit großen Beschleunigungs- und Ver- zögerungswerten, sondern auch mit höchster Genauig¬ keit ausgeführt werden, um die gewünschten Fertigungs¬ toleranzen einhalten zu können. Schließlich soll die Bewegung dieser Maschinenteile schlup rei, spielfrei, schwingungsfrei und bei der Massenfertigung- nter repro- duzierbaren Verhältnissen mit Hilfe von numerischen
Steuerungen möglich sein. Hieraus ergeben sich in der Praxis wegen der hohen Beanspruchung der Bauteile für den linearen Antrieb unerwünschte Verschleißerschei¬ nungen, die auf die Dauer Ungenauigkei en und Streuungen bei der numerischen Einstellung der Schlitten oder Werk¬ zeuge zur Folge haben. Die bekannten und üblicherweise zur Ausübung von linearen Verstellbewegungen verwende¬ ten Antriebssysteme, die zum Beispiel aus Gewindespin¬ deln, Kugelspindeln, Zahnstangen, hydraulischen oder pneumatischen Kolben oder Zahnriemen bestehen können, finden wegen der ihnen eigenen Eigenschaften alle ihre Anwendung, und zwar verständlicherweise immer dort, wo sich aufgrund der Anforderungen ihre günstigen Eigen¬ schaften besonders vorteilhaft auswirken. Wenn es nun
aber darum geht, einen Linearantrieb zu schaffen, bei dem alle Bedingungen möglichst in einem hohen Maß erfüllt werden, etwa bei einem großen Verstell¬ weg bei großer Verstellge-schwindigkeit (etwa 1,0 m 5 pro Sekunde) eine spielfreie, schwingungsfreie und genaue Einstellung zu erzielen, und zwar in ständig repetierbaren Abläufen, so scheiden praktisch alle bekannten Antriebssysteme trotz ihrer spezifischen Vorteile aus, weil ihr Einsatz unter den beschriebe- 10 nen Voraussetzungen ihre Nachteile derart anwachsen ließe, daß ein solcher Linearantrieb zur optimalen Lösung der Aufgaben von vornherein zum Scheitern ver¬ urteilt wäre.
Aus der US-PS 38 2 871 ist eine Vorrichtung bekannt, Λ > bei der ein Behälter mittels eines über Kettenzahnräder bewegten Kettentriebes in eine Hin- und Herbewegung ver¬ setzt wird, um Schüttgüter relativ gleichmäßig in einem Speicher zu verteilen. Eine Fräzisionsbewegun^ und -Positionierung läßt sich mit dieser bekannten Vorrich- 20 tung nicht erzielen. Insbesondere bei einem Wechsel der Bewegungsrichtung stört das bei dieser Vorrichtung erforderliche Spiel zwischen den miteinander im Eingriff stehenden Elementen. Die aus der US-PS 33 50 0*^3 be¬ kannte und mit einem Zahnriemen arbeitende Antriebs- 25 Vorrichtung verfügt über eine gesonderte EinStellein¬ richtung zur Beseitigung des Spiels des Zahnriemens, las Spiel zwischen Zahnriemen und Zahnstange kann damit jedoch nicht beseitigt werden. Weiter ist von Nachteil, . daß e nach Länge des Zahnriemens, d. h. je nach Stellung
des Schlittens, bei gleicher Krafteinwirkung unter¬ schiedliche Längenänderungen des Zahnriemens auftre¬ ten. Damit ergeben sich Positionierungsungenauigkei- ten, die bei einer NC-Werkzeugmaschine nicht toleriert werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine An¬ triebsvorrichtung zum spielfreien Umwandeln einer Drehbewegung in eine Linearbewegung zu schaffen, mit der Werkzeugschlitten oder andere zu positionierende Elemente über große bis größte Längen spiel- und schlupffrei mit niedrigem Massenträgheitsmoment bei großer Einstellgenauigkeit linear bewegt werden können, wobei die Antriebsvorrichtung darüber hinaus besonders servicefreundlich sein soll.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungs emäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs "• angegebenen Maßnahmen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Zahnriemen, insbesondere Kunststoffzahnriemen, kennen hinsichtlich Zahnform und Zahnteiiung mit groϊ-er Ge¬ nauigkeit hergestellt werden, sind hinreichend flexibel, verschleißfest und geräuscharm und haben einen günstigen Wirkungsgrad. Sie werden auch in endloser Ausführung her- gestellt und können sowohl mit Stahldrahtseele als auch mit Glasfaserarmierung versehen sein.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren beispielsweise erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der wesentlichen Elemente der Antriebs¬ vo richtung und
Fig. 2 eine schematische Darstellung der
Antriebsvorrichtung mit zusätzlichen Einzelheiten.
Die in Fig. 1 dargestellte Antriebs orrichtung besteht im wesentlichen ans einer Zahnstange 10, einem endlosen Zahnriemen ", zwei Umlenkrollen 12 und 3 sowie einem Antriebszahnrad 1 , das in an sich-bekannter Weise durch einen Motor angetrieben wird. Der Zähnriemen 11 wird über die Umlenkrollen 12 und 13 in die Verzahnung oder Zahn¬ stange 10 gepreßt. Damit ist über eine hinreichende Län¬ ge 3 ein ausreichender Eingriff des Zahnriemens 11 in die Zahnstange 10 gewährleistet. In einem Bereich A erfolgt der Eingriff des AntriebsZahnrades 1*--** in den Zahnriemen 11. In einem weiteren mit C bezeichneten Bereich liegt der Zahnriemen 11 mit seiner nicht verzahnten Rückseite kraftschlüssig auf dem Umfang der Umlenkroilen 12 bzw. 13 auf. Lediglich in dem mit D bezeichneten Bereich ist eine freie Dehnung des Zahnriemens 1^ möglich. Dieser Bereich kann jedoch - wie die Zeichnung ohne weiteres erkennen läßt - durch entsprechende Maßnahmen praktisch zu Null gemacht werden, so daß dann freie Dehnungen des
Zahnriemens 11 ausgeschlossen sind. Hierzu ist es lediglich erforderlich, das Antriebszahnrad — im Verhältnis zu den Umlenkrollen 12 und ^3 so anzu¬ ordnen, daß es sehr tief Zwischen den Umienkroilen ^2 und 3 zu liegen kommt. In den Bereichen C ist lediglich dann ein Schlupf möglich, wenn die Ruhrei¬ bung zwischen dem Rücken des Zahnriemens " und den Umlenkrollen 12 bzw. 13 überschritten wird. Durch ent¬ sprechende Wahl der Reibungsverhältnisse ist dies im normalen Betrieb jedoch ausgeschlossen. Lediglich bei Auftreten von Stößen erfolgt kurzzeitig ein Schlupf, der zu einem Abbau der Stoßenergie führt. Anschließend sind jedoch die gewünschten Präzisionsverhäitnisse so¬ fort wieder gegeben. Auch die kurzzeitig verlorengehen- de Zuordnung zwischen der Position des AntriebsZahnrades 4 und der Position der gesamten Antriebsvorrichtung ist nach Abklingen der Stoßbelastung sofort wieder ge¬ geben.
Die in Fig. 1 prinzipiell dargestellte Antrie svor- richtung hat den großen Vorteil, daß nicht nur der Zahnriemen 11 mit den Umlenkrollen 12 und 3 c ia weiteres von der Zahnstange 10 abgehoben werden kann und darüber hinaus auch mehrere solcher Antriebsvor¬ richtungen auf einer einzigen Zahnstangenanordn-__ng be- trieben werden können,sondern daß darüber hinaus auch der eigentliche Antrieb mit dem Antriebszahnrac ^4 ohne größere Montagearbeiten vom Rest der Antriebsverrichtung getrennt werden kann. Die Fig. 1 läßt dieses ohne weite¬ res erkennen.
Selbstverständlich können auch ehrsnurige Svsteme mit der betriebenen Antriebsvorrichtung ausgestattet werden. So .ist es beispielsweise ohne weiteres mög¬ lich, ein Portal mit zwei" oder mehr Zahnstangen 10 5 und entsprechender Anzahl von Zahnriemenantrieben zu betreiben.
Variations cglichkeiten des vorstehend beschriebenen grundsätzlichen Aufbaus ergeben sich dadurch, daß im Eingriffsbereich B zwischen Zahnstange 10 und Zahn¬ te rie en 11 im Bereich zwischen den Umlenkrollen 12 und 3 eine Andrückkufe 15 vorgesehen wird, die den Zahn¬ riemen 11 von seiner Rückseite her an die Zahnstange andrückt. Zur Verminderung der Reibung kann dabei in der Berührungsfläche der Andrückkufe 15 eine Viel- " zahl von Luftaustrittsöffnungen vorgesehen werden, die ein Luftpolster aufbauen und damit die Reibwirkung er¬ heblich herabsetzen. Die Andrückkufe 15 kann auch ganz oder teilweise durch Andrückrollen ersetzt werden. So können insbesondere in Laufrichtung des Zahnriemens 11 20 zu beiden Seiten der Andrückkufe 15 solche Andrückrollen vorgesehen werden.
Die Achsen 16 und 17 der Umlenkrollen 3 bzw. 12 können über ein Gestell miteinander verbunden sein. Dabei kann es sich um ein festes, aber auch um ein gelenkiges Ge- 25 stell handeln, das beispielsweise aus Gelenken 19 und
20 aufgebaut ist, wobei diese Gelenke direkt oder indi¬ rekt auch mit der Achse 18 des AntriebsZahnrades 14 ver¬ bunden sein können. Eine Belastung der Achse IS des An-
triebszahnrades 14 mit einer senkrechten Kraft be¬ wirkt dabei ein leichtes Auseinanderdrücken der Achsen 16 und 17 der Umlenkrollen 13 und 12 sowie ein tieferes Eindrigen des AntriebsZahnrades 1 in den Zwischenraum zwischen den Umlenkrollen 12 und 13.
Um Spielfreiheit zu erreichen, muß für optimalen Form¬ schluß des Zahnriemens H mit der Zahnstange 10 gesorgt werden. Dies geschieht durch senkrechte Beweglichkeit der Zahnriemenführung in Gestalt von Andrückkufe 15, Andrückrollen oder ähnliches unter permanenter, mittig wirkender Andrückkraft. So kommt in jeder Lage der ge¬ samte Eingriffsbereich zum Tragen. Andrückkufe 15 und Andrückrollen können beispielsweise unter Wirkung einer Federkraft in senkrechter Richtung beweglich angeordnet sein. Auch die Achsen "6 und 1? können In senkrechter
Richtung beweglich angeordnet werden. So kennen etwaige Formfehler der Zahnstange 10 ausgeglichen werden.
Das AntriebsZahnrad 1*-*- kann axial zumindest einseitig mit einer Zylinderrolle 21 versehen sein, deren Durch- esser gerinfügig größer ist als der Kopfkreis des An¬ triebsZahnrades "-4. Bei entsprechend tiefem Eindringen des AntriebsZahnrades 14 zwischen die Umlenkrollen 12 und 13 ist damit eine direkte Berührung der Zylinder¬ rolle 21 mit den Umlenkrollen "2 und 13 möglich und damit eine Begrenzung des Eindringens des Antriebs¬ zahnrades 14 in den Zwischenraum zwischen den. Umlenk¬ rollen 12 und 13*. Durch den sich dann ergebenden direk-
ten Antrieb der Umlenkrollen 12 und 13 wird der Bereich C so ebenfalls für den Antrieb aktiviert.
Die Länge der Zahnstange 10 kann beliebig sein. Sie wird zu diesem Zweck aus Einzelstücken geeigneter Länge - ggf. unter Verbleiben geringer Lücken zwischen den einzelnen Zahnstangenabschnitten - derart zusammen¬ gesetzt, daß durch Wahl entsprechend großer bzw. klei¬ ner Lücken selbst Fertigungsfehler bei der Zahnstangen¬ herstellung weitgehend ausgeglichen werden können.
Als Zahnriemen finden vorzugsweise solche Verwendung, die eine sogenannte Null-Lücke aufweisen, d. h. die ohne Spiel in die Zahnstangenprofile eingreifen. Es können aber auch geteilte Zahnstangenprofile Verwen¬ dung finden, die dann derartig gegeneinander verscho- ben werden, daß ein etwa vorhandenes Spiel ausgeglichen wird.
Bei Verwendung von Zahnprofilen mit geringem Flanken¬ winkel werden die Auftriebskräfte, die den Zahnriemen aus dem Zahnstangenprofil aufsteigen lassen wollen, sehr gering gehalten. Sehr vorteilhaft ist auch ein in Fig. 2 dargestelltes Zahnprofil mit halbkreisförmigem Zahnquerschnitt.
Die oben beschriebene Antriebsvorrichtung ist für numerisch gesteuerte Maschinen geeignet, weist eine praktisch unbegrenzte Eublänge auf, ermöglicht wegen
der geringen Massen eine hohe Beschleunigung mit Stoßkompensation, erlaubt eine Komponentenbauweise, bei der mehrere Antriebsvorrichtungen auf einem einzigen Zahnstangensystem eingesetzt werden können, erlaubt ohne weiteres auch die Brückenbauweise (Portal¬ vorrichtungen) mit Zwillingsantrieb, ist sehr εervice- freundlich wegen der leichten Austauschbarkeit sowohl der gesamten Vorrichtung als auch der Einzelteile der Vorrichtung, hat einen hohen Wirkungsgrad und eine lange Lebensdauer.