DE10324601A1

DE10324601A1 - Antriebsvorrichtung für Linear- und Rotationsbewegung

Info

Publication number: DE10324601A1
Application number: DE10324601A
Authority: DE
Inventors: Erich Bott; Wolfgang Schneider; Holger Schunk; Rolf Vollmer
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2004-12-16
Also published as: US20040261553A1; US7285883B2

Abstract

Antriebsaggregate für Rotations- und Linearbewegung sollen hinsichtlich Wirkungsgrad und Lebensdauer verbessert werden. Dazu wird in der Antriebsvorrichtung neben der Rotationsantriebseinrichtung (1, 3) und der Linearantriebseinrichtung (5, 7) eine Speichereinrichtung (8) verwendet. Diese Speichereinrichtung (8) ist an die Welle (4) gekoppelt und dient zum Umkehren der Linearbewegung der Welle. Dazu nimmt sie die Bewegungsenergie der Welle auf und gibt sie anschließend wieder ab. Die Speichereinrichtung (8) kann durch zwei sich abstoßende Magnete (9, 10) realisiert sein. Falls ein Drehgeber für das Steuergerät der Antriebsvorrichtung notwendig ist, kann eine verschleißarme Spiralfeder als Drehmomentstütze für den Drehgeber verwendet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung mit einer Rotationsantriebseinrichtung zum Versetzen einer Welle in Rotationsbewegung und einer Linearantriebseinrichtung zum Versetzen der Welle in eine Linearbewegung. Ferner kann eine Drehgebereinrichtung, die mit der Welle in Wirkverbindung steht, zum Erfassen einer Drehposition und/oder Drehgeschwindigkeit der Welle und eine Drehmomentstützeinrichtung zum Abstützen der Drehgebereinrichtung gegen eine Drehbewegung vorgesehen sein, wobei die Drehmomentstützeinrichtung eine Linearbewegung der Drehgebereinrichtung zulässt.

Eine gattungsgemäße Antriebsvorrichtung mit kombiniertem Rotations- und Linearmotor ist aus der Druckschrift US 2001/00 43 016 A1 bekannt. Die Linearbewegung wird hier ausschließlich durch den Linearmotor vollzogen.

Gemäß einem nicht druckschriftlich belegbaren Stand der Technik sind derartig kombinierte Rotations- und Linearmotoren mit einem Drehgeber versehen, der an einer Drehmomentstütze gestützt wird. Die Drehmomentstütze besteht dabei aus Kugelführungen, die eine Nut in axialer Richtung besitzen, in der die Kugeln laufen. Wird eine solche Antriebsvorrichtung jedoch in der Druckindustrie zum Antrieb von Reibewalzen zur Übertragung von Farbe auf Farbwalzen verwendet, so entstehen Probleme hinsichtlich der Lebensdauer der Kugelführungen. Die Reibwalzen führen nämlich eine oszillierende Axialbewegung mit einer Frequenz von etwa 5 Hz durch, so dass die Käfige, Kugeln, etc. der Kugelführungen verhältnismäßig rasch verschleißen. Dieser Verschleiß führt zu sehr hohen Betriebskosten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine gattungsgemäße Antriebsvorrichtung hinsichtlich des Energieverbrauchs und der Lebensdauer zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Antriebsvorrichtung mit einer Rotationsantriebseinrichtung zum Versetzen einer Welle in Rotationsbewegung und einer Linearantriebseinrichtung zum Versetzen der Welle in eine Linearbewegung sowie einer Speichereinrichtung, die mechanisch an die Welle gekoppelt ist, zum Umkehren einer Linearbewegung der Welle in die entgegengesetzte Richtung.

Darüber hinaus ist erfindungsgemäß vorgesehen eine Antriebsvorrichtung mit einer Rotationsantriebseinrichtung zum Versetzen einer Welle in Rotationsbewegung, einer Linearantriebseinrichtung zum Versetzen der Welle in eine Linearbewegung und einer Drehgebereinrichtung, die mit der Welle in Wirkverbindung steht, zum Erfassen einer Drehposition und/oder Drehgeschwindigkeit der Welle und einer Drehmomentstützeinrichtung zum Abstützen der Drehgebereinrichtung gegen eine Drehbewegung, wobei die Drehmomentstützeinrichtung eine Linearbewegung der Drehgebereinrichtung zulässt und wobei die Drehmomentstützeinrichtung eine Spiralfeder umfasst, deren Abschnitte radiale Querschnitte besitzen, deren jeweilige Hauptausdehnungsrichtung im Wesentlichen parallel zur Spiralebene verläuft.

Druckmaschinen, die bislang für Reibwalzen mechanische Antriebe mit Exentern und Umlenkgetrieben besaßen, können nun mit derartigen Antriebsvorrichtungen ausgestattet werden. Diese elektromagnetischen Systeme haben die Vorteile der Regelbarkeit, der Verstellbarkeit, der Unabhängigkeit der Bewegungen und besonders der Wartungsfreiheit. Der erhöhte Wirkungsgrad wird durch den Energiespeicher erzielt, der bei einer linearen oszillierenden Bewegung Bremsenergie speichert und wieder abgibt, so dass ein Resonanzsystem entsteht.

Falls das Steuerungssystem der Antriebsvorrichtung eine Drehgebereinrichtung erfordert, so kann eine notwendige Drehmomentstützeinrichtung durch die erfindungsgemäße Spiralfeder kostengünstig realisiert werden. Sie besitzt die notwendigen mechanischen Federeigenschaften in axialer Richtung und bietet die gewünschte Drehmomentabstützung. Darüber hinaus ist sie praktisch verschleißfrei und besitzt damit eine hohe Lebensdauer. Ferner ist die Spiralfeder billiger und einfacher herzustellen als die bislang verwendeten Kugelführungen.

Zur Abkopplung des stehenden Teils des Drehgebers von der Drehung der Welle der Antriebsvorrichtung kann dieser mittels eines Lagers auf der Welle gelagert sein. Auch die Linearantriebseinrichtung kann mit diesem Lager auf der Welle gelagert sein, so dass sie die Drehbewegung der Welle nicht mitvollzieht.

Vorzugsweise umfasst die oben genannte Rotationsantriebseinrichtung einen Elektromotor und die Linearantriebseinrichtung einen elektrischen Linearmotor.

Die Speichereinrichtung zum Speichern der kinetischen Energie kann mit Hilfe einer magnetischen, elektrischen, mechanischen und/oder pneumatischen Feder aufgebaut werden. Als magnetische Feder eignen sich beispielsweise zwei sich gegenseitig abstoßende Magnete. Als elektrische Feder können zwei geladene Platten verwendet werden.

In der Antriebsvorrichtung kann selbstverständlich die Speichereinrichtung mit der Spiralfeder als Drehmomentstützeinrichtung für einen Drehgeber kombiniert sein.

Vorzugsweise wird die Spiralfeder aus einem Federblech ausgestanzt und ist damit ohne weitere Herstellungsschritte bereits einsatzfähig.

Da die Spiralfeder auch ein axiales Rückstellmoment besitzt, kann sie bei entsprechender Dimensionierung allein oder zusammen mit anderen Federeinrichtungen als Speichereinrichtung verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung für Rotations- und Linearbewegung mit Energiespeicher;
2 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung für Rotations- und Linearbewegung mit Drehgeber; und
3 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Spiralfeder als Drehmomentabstützung für einen Drehgeber.
Die nachfolgend näher beschriebenen Ausführungsformen stellen bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar.
Der in 1 im Querschnitt dargestellte Antrieb verfügt über einen Stator 1 für Rotation, der in ein Gehäuse 2 montiert ist. Radial innerhalb des Stators 1 befindet sich ein Rotor 3, der auf eine Welle 4 montiert ist. Die Welle 4 kann damit in Dreh- beziehungsweise Rotationsbewegung versetzt werden.
Die Antriebsvorrichtung besitzt ferner einen Stator 5 für Linearbewegungen, der über einen Deckel 6 am Gehäuse 2 befestigt ist. Ein axial bewegliches, schalenförmiges Teil 7, dessen Außenwand zwischen dem Stator 5 und dem Gehäuse 2 beweglich angeordnet ist, wird mit Hilfe des Stators 5 linear in axialer Richtung bewegt. Das schalenförmige Teil 7 ist mit der Welle 4 fest verbunden.
Die Welle 4 zusammen mit dem schalenförmigen Teil 7 führen mit der Drehbewegung eine oszillierende Linearbewegung in a xialer Richtung durch. Diese Linearbewegung wird durch den Linearmotor beziehungsweise Stator 5 angestoßen. Zur Umkehrung der Linearbewegung wird ein Energiespeicher 8 verwendet, der federnde Wirkung besitzt. Der Energiespeicher 8 ist im vorliegenden Fall einteilig mit dem schalenförmigen Teil 7 verbunden. Speziell ist an dem schalenförmigen Teil 7 ein in Richtung des Elektromotors 1, 3 weisender ringförmiger Vorsprung 10 angebracht. Dieser Vorsprung 10 ragt in eine umlaufende Nut eines Rings 9. Der Ring 9 und der Vorsprung 10 sind in entgegengesetzter Richtung magnetisiert, so dass sie einander abstoßen. Falls das schalenförmige Teil 7 nun durch den Stator 5 auf den Ring 9 hingestoßen wird, so wird es durch die magnetische Abstoßung abgebremst und wieder zurückbewegt. Die Bewegungsenergie aus der Linearbewegung wird damit gespeichert und wieder abgegeben. Mit einem Sensor 11 ist diese lineare Bewegung beziehungsweise die lineare Position für die Steuerung des Antriebs detektierbar.
Das in 1 dargestellte Aggregat zeichnet sich durch eine hohe Ausnutzung hinsichtlich des Verhältnisses Kraft zu Volumen aus. Der Wirkdurchmesser des Linearantriebs, der im Luftspalt zwischen dem Stator 5 und dem schalenförmigen Teil 7 definiert ist, ist besonders groß, da das bewegliche, schalenförmige Teil 7 außen liegt und der Stator 5 innen.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform einer Antriebsvorrichtung ist in 2 im Querschnitt dargestellt. Diejenigen Komponenten, die denen von 1 entsprechen, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Hinsichtlich deren Beschreibung wird auf die Beschreibung von 1 verwiesen.
Die Antriebsvorrichtung gemäß 2 wird von einer Steuervorrichtung angesteuert, die ein Drehgebersignal und ein Lineargebersignal benötigt. Hierzu ist ein Drehgeber 12 auf der Welle 4 und ein Lineargeber 13 am Gehäuse 2 angeordnet.
Der Drehgeber 12 soll unabhängig von der Linearbewegung die Drehung der Welle detektieren. Daher ist über Lager 14, welche axiale Kräfte aufnehmen können, für den beweglichen Teil 15 des Linearmotors die Drehbewegung ausgekoppelt. Dies bedeutet, dass der bewegliche Teil 15 des Linearmotors lediglich Linearbewegung aber keine Drehbewegung ausführt. Dazu muss der bewegliche Teil 15 des Linearmotors durch eine Momentenstütze 16 oder eine Linearführung am Drehen gehindert werden. Die Momentenstütze 16 wird nachfolgend im Zusammenhang mit 3 näher erläutert. Zur Erfassung der Drehbewegung reicht es auch aus, wenn nur der Drehgeber 12 mit dem Lager 14 auf der Welle 4 gelagert ist und der bewegliche Teil 15 des Linearmotors die Drehbewegung mitmacht.
Durch die Entkopplung der Bewegungen besteht zwischen der sich drehenden und axial bewegenden Welle 4 und dem beweglichen Teil 15 des Linearmotors eine Drehbewegung ohne Linearbewegung. Der Drehgeber 12, der auf der Welle 4 die Linearbewegung mitmacht, kann damit die Drehbewegung für den rotierenden Motor ohne Weiteres erfassen.
Zwischen dem Gehäuse 2 und dem beweglichen Teil 15 des Linearmotors ergibt sich eine Linearbewegung ohne Drehbewegung. Diese Linearbewegung wird von dem Lineargeber 13 erfasst und kann zur Ansteuerung des Linearmotors verwendet werden.
Selbstverständlich kann die Antriebsvorrichtung gemäß 2 auch mit einem Energiespeicher 8, der in 1 dargestellt ist, ausgestattet sein. Der Energiespeicher ist der Übersicht halber hier jedoch nicht dargestellt.
Eine erfindungsgemäße Drehmomentstütze ist in 3 in der Draufsicht dargestellt. Sie besteht aus einer Spiralfeder, die aus einem 1 mm starken Blech ausgestanzt ist. Die Spiralfeder besitzt im vorliegenden Beispiel einen Durchmesser von 245 mm. Eine zentrale Ausstanzung 160, durch die die Welle 4 geführt ist, besitzt einen Durchmesser von 30 mm. Die spiral förmige Ausstanzung 161 besitzt eine Breite von 2 mm. Die Spiralbahnen der Ausstanzung 161 sind radial voneinander 18 mm beabstandet. Durch die spiralförmige Ausstanzung 161 lässt sich der Zentralabschnitt 162 der Spiralfeder in axialer Richtung gegenüber dem Außenabschnitt 163 bewegen. Aus Stabilitätsgründen ist die Ausstanzung 161 weder bis ganz außen noch bis zur zentralen Ausstanzung 160 geführt. Durch Ausstanzungen 164 im Außenabschnitt 163 ist die Spiralfeder insbesondere gegen Drehbewegungen am Gehäuse 2 gesichert. Bohrungen 165 im Zentralbereich 162 dienen zum Fixieren des Drehgebers 12 oder des beweglichen Teils 15 des Linearmotors.
Die Gestalt der Spiralfeder ergibt, dass sie in axialer Richtung sehr weich ist, um unnötige Kräfte auf die angeschlossene Struktur zu vermeiden. Bei Belastungen in Umfangsrichtung reagiert sie jedoch sehr steif. Sie erfüllt damit die Anforderungen an eine Linearführung, nur axiale Bewegungen zuzulassen und Drehbewegungen zu verhindern. Da die Spiralfeder sehr günstig als Stanzteil herzustellen ist, kann um so höher qualitatives Material für sie verwendet werden. Damit kann sie beispielsweise dauerfest ausgeführt sein, so dass keinerlei Probleme hinsichtlich der Lebensdauer bestehen.

Claims

Antriebsvorrichtung mit – einer Rotationsantriebseinrichtung (1, 3) zum Versetzen einer Welle (4) in Rotationsbewegung und – einer Linearantriebseinrichtung (5, 7) zum Versetzen der Welle (4) in eine Linearbewegung, gekennzeichnet durch – eine Speichereinrichtung (8), die mechanisch an die Welle (4) gekoppelt ist, zum Umkehren einer Linearbewegung der Welle (4) in die entgegengesetzte Richtung.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Rotationsantriebseinrichtung (1, 3) einen Elektromotor umfasst.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Linearantriebseinrichtung (5, 7) einen elektrischen Linearmotor umfasst.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Speichereinrichtung (8) eine magnetische Feder (9, 10) umfasst.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Speichereinrichtung (8) eine elektrische Feder umfasst.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Speichereinrichtung (8) eine mechanische Feder umfasst.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Speichereinrichtung (8) eine pneumatische Feder umfasst.
Antriebsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Drehgebereinrichtung (12), welche mit der Welle (4) in Wirkverbindung steht, zum Erfassen einer Drehposition und/oder Drehgeschwindigkeit der Welle (4) und eine Drehmomentstützeinrichtung (16) zum Abstützen der Drehgebereinrichtung (12) gegen eine Drehbewegung aufweist, wobei die Drehmomentstützeinrichtung (16) eine Linearbewegung der Drehgebereinrichtung (12) zulässt, und wobei die Drehmomentstützeinrichtung (16) eine Spiralfeder umfasst, deren Abschnitte radiale Querschnitte besitzen, deren jeweilige Hauptausdehnungsrichtung im Wesentlichen parallel zur Spiralebene verläuft.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Drehgebereinrichtung mittels eines Lagers (14) auf der Welle (4) gelagert ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 9, wobei auch die Linearantriebseinrichtung mittels des Lagers (14) auf der Welle (4) gelagert ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Spiralfeder aus einem Blech gestanzt ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Spiralfeder Teil der Speichereinrichtung (8) ist.
Antriebsvorrichtung mit – einer Rotationsantriebseinrichtung (1, 3) zum Versetzen einer Welle (4) in Rotationsbewegung, – einer Linearantriebseinrichtung (5, 7) zum Versetzen der Welle (4) in eine Linearbewegung und – einer Drehgebereinrichtung (12), die mit der Welle (4) in Wirkverbindung steht, zum Erfassen einer Drehposition und/oder Drehgeschwindigkeit der Welle (4) und – einer Drehmomentstützeinrichtung (16) zum Abstützen der Drehgebereinrichtung (12) gegen eine Drehbewegung, wobei die Drehmomentstützeinrichtung (16) eine Linearbewegung der Drehgebereinrichtung (12) zulässt, dadurch gekennzeichnet, dass – die Drehmomentstützeinrichtung (16) eine Spiralfeder umfasst, deren Abschnitte radiale Querschnitte besitzen, deren jeweilige Hauptausdehnungsrichtung im Wesentlichen parallel zur Spiralebene verläuft.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Spiralfeder aus einem Blech gestanzt ist.
Antriebsvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Drehgebereinrichtung mittels eines Lagers (14) auf der Welle (4) gelagert ist.
Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei auch die Linearantriebseinrichtung mittels des Lagers (14) auf der Welle (4) gelagert ist.