DE3544669A1 - Numerisch gesteuertes elektromechanisches praezisionsantriebssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein numerisch gesteuertes elektro­ mechanisches Präzisionsantriebssystem der im Gattungsbe­ griff des Hauptanspruchs angegebenen Art.

Aus der DE-OS 33 45 528 ist ein Verfahren zur Steuerung von motorbetriebenen Hochdruckventilen bekannt, bei welchen die Steuerung der Bewegung der Ventilregelachse in Abhängig­ keit von laufend durchgeführten und im Ergebnis stetig angezeigten Parametern wie Druck, Temperatur, Position des Ventilkegels u.dgl. automatisch und vollelektronisch ge­ steuert wird. Bei einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist für die Ventilregelachse lediglich ein ein­ zelner Verstellmotor vorgesehen. Dies hat zur Folge, daß bei Ausfall des Motors die Anlage stillgelegt werden muß.

Aus der DE-OS 29 52 695 sind ein Verfahren und eine Anord­ nung zur Steuerung, Überwachung und Verbrauchsmessung eines Fluiddurchflußventils bekannt geworden, bei welchen das Signal zur Steuerung der Stellung des Ventilkörpers zur Mes­ sung des das Ventil durchströmenden Fluidvolumens verwendet wird. Auch hier ist nur ein einzelner Schrittmotor vorgesehen.

Herkömmlich aufgebaute elektromechanische Antriebssysteme sind wegen der Massenträgheit relativ langsam und wenig dy­ namisch. Sie laufen nur schwer an und können nicht fein ge­ nug angesteuert werden. Es hat sich herausgestellt, daß mit den bekannten Ventilsteuerungen die vielseitigen Ansprüche nicht erfüllt werden könnten, die insbesondere in der mo­ dernen Meß-, Steuer- und Regeltechnik an kleine und leichte elektromechanische Antriebe gestellt werden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein numerisch gesteuertes elektromechanisches Präzisions­ antriebssystem der eingangs erwähnten Art derart auszubil­ den, daß bei niedrigem Eigenverbrauch schnelle, sichere und leistungsfähige Antriebe erhalten werden, die auch schwere Teile höchst präzise in einem großen Drehmomentbereich und über kleinste Meßstrecken genauestens bewegen können, und zwar sowohl im Rotationsbetrieb als auch im Translations­ betrieb sowie im kombinierten Rotations/Translationsbetrieb. Diese Aufgabe wird bei einem elektromechanischen Präzisions­ antriebssystem der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Mitteln gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Auf diese Weise erhält man ein elektromechanisches Antriebs­ system mit einem extrem günstigen Verhältnis von Drehmoment bzw. Schub- und Zugmoment zum Antriebsvolumen, das folgende Vorteile mit sich bringt:

• 1. kleines Volumen und damit geringes Gewicht,
• 2. für dieses kleine Volumen ein hohes Dreh- bzw. Schub­ moment,
• 3. geringer Energieverbrauch,
• 4. sehr präzise Positionseinstellung mit entsprechender Rückmeldung und guter Reproduzierbarkeit,
• 5. gegenüber hydraulischen Antrieben sofortige Betriebs­ bereitschaft,
• 6. Anschlußmöglichkeit an einen Computer über eine stan­ dardisierte Schnittstelle.

Als Anwendungsgebiete kommen insbesondere in Frage:

Alle Arten von Ventilsteuerungen, vor allem in den Fällen, wo es auf präzise Einstellungen von Ventilen ankommt, hier also insbesondere in der chemischen Prozeßtechnik, in der Luftfahrt, Raumfahrt sowie in der Nukleartechnik, Präzi­ sionsantriebe im allgemeinen Maschinenbau, z.B. für prä­ zise Vorschübe bei beliebigen Translationsbewegungen wie etwa Traversierungen, oder im Bereich der CNC-Maschinen, bei Robotern und Manipulatoren, oder auch in sicherheits­ relevanten Anlagen etwa beim Antrieb von Reaktorsteuerele­ menten und insbesondere dort, wo eine höchste Betriebssi­ cherheit verlangt wird und auch bei Stromausfall die Antrie­ be einwandfrei funktionieren sollen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen des Erfindungsgegen­ standes näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Ansicht im Längsschnitt für Rotationsbetrieb;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf das Antriebssystem;

Fig. 3 einen Längsschnitt für Translationsbetrieb;

Fig. 4 einen Teillängsschnitt für abwechselnden Rotations- und Translationsbetrieb;

Fig. 5 einen Längsschnitt für gleichzeitigen Rotations- und Translationsbetrieb;

Fig. 6 eine Ansicht von unten auf das Grundchassis;

Fig. 7 eine Draufsicht auf den zu Fig. 6 gehörenden Deckel;

Fig. 8 einen Schnitt gemäß Linie A-B in Fig. 7;

Fig. 9 eine teilweise aufgebrochene Draufsicht auf Zu­ sammenbau von Grundchassis, Deckel und Gehäuse;

Fig. 10 eine Ansicht des Zusammenbaus in Fig. 9 mit Motor­ einheiten, Notstromversorgung und Verkabelung;

Fig. 11 einen Teilaufbau von Grundchassis, Deckel, Motor­ einheiten, Antriebselektronik und Steuerelektronik;

Fig. 12 einen Längsschnitt durch den Aufbau der Fig. 11 mit Gehäuse und Planetengetriebe;

Fig. 13 ein Blockdiagramm;

Fig. 14 einen Größenvergleich der Zahnmodule;

Fig. 15 ein Belastungsdiagramm.

In Fig. 1 ist eine für den einfachsten Anwendungsfall, näm­ lich für das Rotationsprinzip, bestimmte Anordnung dargestellt.

Das Rotationsprinzip zeichnet sich dadurch aus, daß sämtliche Motor- und Motorgetriebeeinheiten 1 gleichzeitig über ihre Abtriebsritzel 2 auf das Mittelzahnrad 3, das mit der Abtriebs­ welle 4 fest verkoppelt ist, einwirken. Die Motoreinheiten 1 sind kreisförmig um das Mittelzahnrad 3 gruppiert, so daß die Ritzel 2 nach Art von Planetenrädern mit einem Sonnenrad 3 kämmen, wobei die beiderseitigen Teilkreise einander berühren.

Diese feste Kopplung wird in Fig. 1 dadurch erreicht, daß das Mittelzahnrad 3 und die Abtriebswelle 4 einstückig sind.

Die Kraftübertragung auf andere Geräte kann auf bekannte Weise, z.B. durch Rutschkupplung, Nut und Feder, einen Keil od.dgl. erfolgen.

Die Abtriebswelle 4 ist in einem Deckel 5 mittels eines Lagers 6 sowie eines Lagers 7, welches in einer Gerätean­ schlußvorrichtung 15 untergebracht ist, geführt. Als Zu­ satzlager dient die Lagerung 8 im Grundchassis 9. Auf dem Grundchassis 9 sind zusätzlich für jeden Motor 1 Notstrom­ versorgungen 10, die im Spannungsabfall die Antriebseinheiten 1 für bestimmte Zeit mit Energie versorgen, untergebracht.

Deckel 5 und Grundchassis 9 sind durch Schrauben 49 (Fig. 9) miteinander verbunden. Die Befestigung der Motoreinheiten 1 am Grundchassis 9 erfolgt über Konsolen, die später noch be­ schrieben werden.

Die Abtriebswelle 4 ist im Grundchassis 9 in zwei axialen Lagern 11 und 12, z.B. Nadellagern, gelagert. Die Befesti­ gung der Abtriebswelle 4 in dem Grundchassis 9 erfolgt durch die Sicherheitsgewindemutter 13.

Ein Gehäuse 16 umschließt die ganze Anordnung, das am Deckel 5 mittels einer Verschraubung 17 befestigt ist.

Die mechanische Anpassung an die Arbeitsmaschinen erfolgt über die Geräteanschlußvorrichtung 15 durch entsprechende Adapter, die auf die jeweils erforderliche Art angebracht werden können.

Die Energieversorgung erfolgt entweder durch ein Kabel 87 (Fig. 11), das mit Kabeldurchführung und Zugentlastung ver­ sehen ist, oder über Gerätestecker und Gerätebuchse 31 (Fig. 3).

Bei den Motoren 1 handelt es sich vorzugsweise um Schwach­ strom-Servomotore mit eisenlosem Anker und permanentmagne­ tischem Stator.

In Fig. 2 ist schematisch die kreisförmige Anordnung der Mo­ toreinheiten 1 und das Zusammenwirken der Planetenräder 2 mit dem Sonnenrad 3 dargestellt. Gleichzeitig ist angedeutet, daß sich ein Teil der Motoreinheiten mit den Einzel-Dreh­ momenten M ₁, M ₃, M ₅, M ₇ und M _N auf der einen Seite des Grund- Chassis 9 befindet, während eine gleich große Gruppe mit den Einzel-Drehmomenten M ₂, M ₄, M ₆, M ₈ versetzt dazu zwecks Platzersparnis auf der anderen Seite bzw. auf dem zugehöri­ gen Deckel 5 angeordnet ist.

Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele zeigen sämtlich diese Doppelanordnung der Motoreinheiten 1 auf beiden Seiten des Grundchassis 9.

Dieser partikuläre Aufbau des "Multiantriebes" führt dazu, daß die hohe Anzahl der kleinen Drehmomente auf ein Mittel­ zahnrad übertragen werden kann, wobei dies über sehr feine, dem kleinen Drehmoment der entsprechenden Bezahnung der Ritzel und des Mittelzahnrades erfolgt, da sich die Summe der einzelnen Drehmomente erst im Mittelpunkt des großen Mittelzahnrades addiert nach der Formel

M _G = M₁ + M₂ + M₃ + M₄ + . . .M _n .

Anhand von Fig. 3 wird erläutert, wie man vom Rotations­ prinzip zum Translationsprinzip gelangt.

Im Unterschied zum Rotationsprinzip ist beim Translations­ prinzip in der Nabe des Mittelzahnrades 3 ein Gewinde, eine Kugelumlaufbuchse oder ein Gewindesatellitenantrieb 19 angeordnet. Der mit dem Gewinde zusammenwirkende Teil der Abtriebswelle 4 ist als Gewindespindel 20 ausgebildet, die durch die Rotationssperrführung 21 gegen Rotation gehindert wird. Die Rotationssperrführung 21 ist fest mit dem Deckel 5 mittels der Verschraubung 22 verbunden. Die Spindel 20 wird in der Rotationssperrführung 21 durch eine Präzisionsführung 23 geführt. Sie ist mit der Spindel 20 durch eine Verschrau­ bung 24 oder eine andere Art der Befestigung fest verbunden.

Zusätzlich wirkt diese Präzisionsführung 23 auf den Schleifer 25 eines linearen Wegegebers 26. Die abgelesene Spannung an dem linearen Wegegeber 26 ist dem Weg der Spindel 20 propor­ tional.

An dem Grundchassis 9 sind wie auch an dem Deckel 5 die Mo­ tor- oder Motorgetriebeeinheiten 1 bzw. 1′ sowie die Not­ stromversorgungen 10 bzw. 10′ für beide befestigt.

Die Energieversorgung für die Motoreinheiten und Notstrom­ versorgung erfolgt über eine Steckverbindung 31, die am Ge­ häuse 16 angebracht ist.

Das Gehäuse 16 ist sowohl an der Geräteanschlußvorrichtung 15 mit der Verschraubung 34 als auch am Deckel 5 mittels einer Verschraubung 17 befestigt.

Die Ankopplung an die Arbeitsmaschinen erfolgt so wie bei dem Rotationsprinzip mittels einer Verschraubung 36 oder über andere geeignete Adapter.

Die Position der Spindel 20 kann sowohl mit einem linearen Wegegeber 26 als auch mit einem inkrementalen Wegegeber 28, der sich direkt an den Motor- oder Motorgetriebeeinheiten 1, 1′ befindet, abgelesen werden.

Die Wegeaufnehmer können auf bekannte Art als induktive Wege­ aufnehmer, als lineare Wegeaufnehmer, als Rotations-Wegeauf­ nehmer oder als inkrementale Wegeaufnehmer ausgebildet sein. Wenn die Wegeaufnehmer als Potentiometer ausgebildet sind, kann eine dem Weg proportionale Spannung abgegriffen werden. Beim Inkremental-Wegeaufnehmer werden dem Weg entsprechende Impulse gezählt und auf einer Anzeige dargestellt. Man kommt auf diese Weise zu einer Ablesegenauigkeit von 10^-6.

Die Rotationssperre der Spindel 20 kann natürlich auch auf andere geeignete Weise erfolgen. So ist es z.B. möglich, das Gehäuse 16 teleskopartig auszubilden und dessen Oberteil ge­ meinsam mit der Spindel 20 zu verschieben, wobei die Siche­ rung gegen Drehung durch Paßstifte, Führungsbolzen oder ähn­ liche Feststellmittel zwischen dem Grundchassis 9 und dem Oberteil des Gehäuses 16 erfolgt.

Man kann auch das Rotations- und das Translationsprinzip nach­ einander anwenden, wie dies in Fig. 4 angedeutet ist.

Dieses Rotations-Translations-Prinzip beruht darauf, daß der Spindelführungszylinder 21 mit der Rotationssperre zum einen am Mittelzahnrad 3 durch eine Klemmvorrichtung 37 fest­ gehalten wird und zum anderen beim Translationsbetrieb mit dem nicht drehenden Teil 38 des Antriebes durch eine Klemm­ vorrichtung 39 festgehalten wird, so daß zunächst Rotation und dann Translation erfolgt. Das Rotationsdrehmoment ent­ spricht dem vorher beschriebenen Rotationsprinzip, ebenso wie die Schub- oder Zugkraft dem vorher beschriebenen Translations­ prinzip entspricht.

Vorteilhaft ist dabei eine induktive Umschaltung vom Rota­ tionsbetrieb zum Translationsbetrieb und umgekehrt.

Durch das Umpolen der Polarität der Gleichstromversorgung einer Induktivität 40 wird der als Anker wirkende Spindel­ führungszylinder 21 nach oben oder nach unten in die jeweilige Klemmvorrichtung 37 oder 39 eingepreßt. Dadurch wird der Spin­ delführungszylinder 21 entweder mit dem drehenden Teil, d.h. dem Mittelzahnrad 3, oder mit dem feststehenden Teil 30 ver­ bunden. Auf diese Art und Weise entsteht die aufeinanderfol­ gende Rotations-Translations-Bewegung.

Es ist aber auch möglich, das Rotationsprinzip und das Trans­ lationsprinzip gleichzeitig anzuwenden, wie in Fig. 5 gezeigt.

Bei gleichzeitiger Rotations-Translations-Bewegung wirkt die Spindel 20, die in der Kugelumlaufbuchse 19 über eine Kupp­ lung 42 geführt wird, auf eine weitere Spindel 43, die in einer weiteren Kugelumlaufbuchse 44 geführt wird, ein. Die Rotation der Spindel 20 wird durch die Rotationssperrführung 21 verhin­ dert, so daß die Spindel 20 eine Translationsbewegung be­ schreibt. Dadurch, daß die Spindel 43 nicht fest mit der Spindel 20 gekoppelt ist, jedoch sich in einer Kugelumlauf­ buchse 44 befindet, die eine bestimmte Steigung besitzt, be­ schreibt die zusätzliche Spindel 43 eine gleichzeitige Rota­ tions-Translations-Bewegung.

Die Translationsgeschwindigkeit entspricht der Drehzahl der Motorgetriebeeinheiten 1 und der Steigung der Kugelumlauf­ buchse 19.

Die Translations-Rotationsbewegung der Spindel 43 setzt sich aus der Bewegung der vorher beschriebenen Bewegung der Spindel 20 und der Steigung der Kugelumlaufbuchse 44 zusammen.

Die beiden Spindeln 20 und 43 sind nicht fest, sondern glei­ tend miteinander gekoppelt. Dazwischen können sich Nadellager befinden oder man kann die Verbindung mit einer Rutschkupp­ lung 42, deren Übertragungsdrehmoment variabel eingestellt werden kann, versehen. Auch andere auf dem Markt befindliche Kupplungen sind nach Bedarf verwendbar.

Die Befestigungsart dieses Antriebes an die Arbeitsmaschinen kann ebenfalls nach den vorher beschriebenen Prinzipien er­ folgen.

Die Fig. 6 stellt das Grundchassis 9 in der Draufsicht dar. Das Grundchassis ist das tragende Element für den Gesamt­ aufbau. In dieses Grundchassis 9 werden sowohl Motor- oder Motorgetriebeeinheiten 1 als auch die gesamten Kraftübertra­ gungselemente (Ritzel 2, Zahnrad 3, Kugelumlaufspindel 19 und Abtriebswelle 4) integriert.

Das Grundchassis ist das einzige tragende Element, das über die Geräteanschlußvorrichtung 15 mit sämtlichen Arbeitsma­ schinen aus den verschiedensten Anwendungsbereichen gekop­ pelt werden kann.

Die Fig. 7 stellt den Deckel 5 des Grundchassis 9 dar. Der Deckel 5 ist mit Durchgangsbohrungen 45 für die spätere Befe­ stigung am Grundchassis 9 mittels Schrauben 49 versehen.

Zusätzlich sind Bohrungen 46 mit Gewinde für die Rotations- Sperrführung 21 und das Lager 6 vorgesehen. Außerdem ist der Deckel mit Führungen 48 für die Motor- oder Motorgetrie­ be-Befestigungskonsolen 14 versehen.

Fig. 8 ist ein Schnitt A-B durch die Vorderansicht des Deckels 5 mit dem Lager 6. Gleichzeitig sind die Führungen 48 für die Motor- oder Motorgetriebeeinheiten 1 ersichtlich.

Fig. 9 stellt eine Draufsicht auf den Zusammenbau des Grund­ chassis 9, des Deckels 5 sowie des Gehäuses 16 ohne Motor­ getriebeeinheiten dar.

Der Deckel 5 wird am Grundchassis 9 durch Schrauben 55 fest­ geschraubt, das Gehäuse 16 wird durch Schrauben 56 an dem Deckel 5 entsprechend befestigt.

In Fig. 10 ist eine Vorderansicht von einem Teil des Grund­ chassis 9 mit auf den Befestigungskonsolen 14 angebrachten Motor- oder Motorgestriebeeinheiten 1 und des Deckels 5 mit auf den Konsolen 14 angebrachten Motor- oder Motorgetriebe­ einheiten 1′ dargestellt.

Zusätzlich befinden sich auf dem Grundchassis 9 die Notstrom­ versorgungen 10 bzw. 10′ auf dem Deckel 5.

Die Motor- oder Motorgetriebeeinheiten 1 bilden mit den Be­ festigungskonsolen 14 einen Einschub in die Chassisebene und werden durch die Verschraubung 51 am Grundchassis 9 festge­ schraubt. Sie bilden mit den Befestigungskonsolen 14 einen Ein­ schub, der in den Chassisdeckel 5 geführt wird, aber an dem Grundchassis durch die Verschraubung 51′ befestigt ist.

Die Motor- oder Motorgetriebeeinheiten 1, 1′ werden an eine Antriebselektronik mit integrierter Notstromversorgung 10, 10′ angeschlossen. Dies geschieht, indem man die Motorpole 52 mit den auf der Steuerelektronik mit integrierter Notstrom­ versorgung befindlichen Kontakten 55 auf der Lötleiste 53 anschließt. Dies ist durch die Verdrahtung 54 gegeben.

In Fig. 11 ist die Anordnung aller Bauelemente in der Drauf­ sicht dargestellt, wobei gleichzeitig die Steuerelektronik 85 und deren Anschluß an die Steckerbuchse 31 angedeutet sind. Auf dem Grundchassis 9 befinden sich auf Befestigungskonsolen 14 die angebrachten Motor- oder Motorgetriebeeinheiten 1, die mit den Befestigungskonsolen durch Verschraubungen 78 befe­ stigt sind. Dort sind ebenfalls die Motorgetriebeeinheiten 1, die in einem bestimmten Winkel, der sich nach der Anzahl der Motor- oder Motorgetriebeeinheiten richtet, versetzt ange­ bracht.

Auf dem Deckel 5 befindet sich die Antriebselektronik 81 mit der integrierten Notstromversorgung 10′, die mit einer Lötstift­ leiste 82 versehen ist. Die Lötstifte +/- und A bis E werden mit der Steckerbuchse 31 elektrisch verbunden. Die Kontakte M+/M- werden durch die Verkabelung 83 mit den Motorpolen 84 elektrisch verbunden.

Die Verbindung mit der Steuerelektronik 85 erfolgt durch einen Gerätestecker 86 und ein Kabel 87, das anderseitig mit einem Gerätestecker 88 versehen ist. Der Gerätestecker 88 ist mit der Einbaugerätedose 89 gekoppelt. Dadurch ist die Datenübertragung von der Steuerelektronik 85 an die Antriebs­ elektronik 81 gegeben. Die Steuerelektronik wird vom Netzan­ schluß 90 über einen nicht stabilisierten Netzteil 91 und über die Stromspannungsregelung 92 mit einer stabilisierten Spannungsversorgung versorgt.

Fig. 12 stellt den Anschluß des numerisch gesteuerten elektrome­ chanischen Präzisionsantriebssystems an die Steuerelektronik 85 dar. Die Steuerelektronik 85 wird über eine Einbaugeräte­ dose 89, den Kabelstecker 88 und den Kabelstecker 86 an die Steckerbuchse 31 angeschlossen.

Die Steckerbuchse 31 wird mit der Antriebselektronik 85 über ein Kabel 87 elektrisch verbunden.

In dem Blockdiagramm der Fig. 13 ist der Zusammenhang der elektronischen Baugruppen veranschaulicht. Einzelheiten er­ geben sich aus der DE-OS 33 45 528.

Hier sind auch Einzelheiten über den Aufbau und die Wirkungs­ weise der Steuerelektronik 85 angegeben. Diese Steuerung ist ebenso wie diejenige gemäß DE-OS 33 45 528 computer- und "CAMAC"-kompatibel.

Das Prinzip der Erfindung beruht u.a. darauf, daß ein einzelner Stellmotor, sei es ein normaler Elektromotor, sei es ein Schrittschaltmotor, durch eine Vielzahl kleiner Schwachstrommotore ersetzt wird.

Fig. 14 zeigt den Unterschied zwischen dem Modul m der Ver­ zahnung bei Verwendung nur einer - wie bekannt - oder einer Vielzahl von Motor- oder Motorgetriebeeinheiten.

Bei dem dargestellten Beispiel sei ein Drehmoment von 200 Nm mit entsprechender Schubkraft gefordert.

Bei Verwendung eines einzigen Antriebes beträgt

der Durchmesser des Mittelzahn- rades 3389,888 mm, der Durchmesser der Ritzel 2 54,000 mm bei einem Achsenabstand von443,000 mm. Das entspricht einem Modul 71  m = 3.

Bei 16 Antrieben 1, 1′ beträgt dagegen

der Mittelzahnrad-Durchmesser nur103,970 mm, derjenige der Ritzel nur 14,400 mm. Das entspricht einem Modul 72  m = 0,8.

Man erhält also zu den anderen bereits erörterten Vorteilen eine erhebliche Reduzierung des Raumbedarfs bei gleicher Leistung, ganz abgesehen von verringertem Schlupf, dement­ sprechend weniger Totzeiten und einer entsprechend größeren Dynamik des Systems.

In Fig. 15 ist ein Belastungsdiagramm aufgezeichnet. Das Belastungsdiagramm MS/MG ist eine graphische Darstellung des proportional ansteigenden Drehmomentes MS am Sonnenrad 2 zur ansteigenden Belastung F (Nm) an der Abtriebswelle 4 bzw. der Kugelumlaufspindel 20.

Wenn MS das geforderte Gesamtdrehmoment (Sonnenrad), MG das geforderte Drehmoment an der Abtriebswelle (Ritzel) des partikulären Antriebes (Motoreinheit), Xa die Anzahl der Partikularantriebe ( z.B. 16) ist,

MG = 1/Xa · MS.

Die Kurve MG in dem Belastungsdiagramm stellt den Verlauf des geforderten Drehmomentes bei der Verwendung von mehre­ ren Partikularantrieben dar. Es ist aus der Formel ersicht­ lich, daß die Kurve MG hyperbolisch verläuft, d.h. daß auch die Belastung des Partikularantriebes hyperbolisch abnimmt. Außerdem geht aus der MG-Kurve hervor, daß sie bei dem Wert Xa = 10 einen linearen Verlauf annimmt. Dies ist auch der Bereich, wo Partikularantriebe nicht mehr maximal aus­ gelastet werden müssen (Sicherheitsbereich).

Das interessante Phänomen dieses Antriebes ist, daß das dy­ namische Verhalten des gesamten Antriebes dem dynamischen Ver­ halten des Partikularantriebes entspricht, d.h., daß das Rotorträgheitsmoment (kgm²) des gesamten Antriebes dem Rotor­ trägheitsmoment des Partikularantriebes entspricht, wobei natürlich das Trägheitsmoment des Sonnenrades 3 zu berück­ sichtigen wäre.

Die Kurve F (MS) beweist, daß sich das Gesamtdrehmoment im Verhältnis zu der Last proportional verhält. Das geforderte Drehmoment an dem Partikularantrieb sinkt mit dem Über­ setzungsverhältnis i, dementsprechend proportional sinkt auch die Drehzahl (Upm) an der Abtriebswelle des Antriebs­ systems.

Bei 16 Partikularantrieben, d.h. bei Xa = 16, werden im dar­ gestellten Beispiel die Antriebe mit nur etwa 32% belastet. Daraus ergibt sich, daß bei Ausfall von über 60% die Funk­ tionsfähigkeit dieses Antriebssystems voll gewährleistet bleibt. Bei einem Ausfall von 60% eines konventionellen An­ triebes ist die Funktion dagegen nicht mehr gewährleistet.

Dadurch, daß sich die Kräfte auf den gesamten Umfang des Mit­ telzahnrades oder Sonnenrades 3 verteilen, sinkt auch die me­ chanische Beanspruchung der Verzahnung.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel mit einer Belastung F = 10 000 N entsprechend der Kurve F (MS) bei 16 das Sonnen­ rad 3 umgebenden Schwachstrom-Servomotoren 1, 1′ benötigen die­ se jede eine Leistung von 12 V · 1,1 A = 13,2 W, d.h. alle 16 zusammen eine Leistung von 211,20 W.

Wenn das Mittelzahnrad einen Durchmesser von 80 mm, die Ritzel 2 einen Durchmesser von 12 mm, die Welle 4 bzw. Spin­ del 20 einen Durchmesser von 28 mm und eine Länge von 70 mm haben, dann kann mit dieser außerordentlich geringen Leistung bei einem Schubweg von 20 mm eine Schubkraft von etwa 10 000 Nm erzielt werden. Dabei ist die Präzision der Steuerung zwischen Drehzahlen von 0,1 bis 30 000 pro Minute regelbar.

Zielsetzung bei der Entwicklung dieses neuartigen numerisch gesteuerten elektromechanischen Präzisionsantriebssystems war es, die neutralen Zonen und weitere Parameter, die bei einem konventionellen Elektroantrieb sehr hoch sind, auf einen möglichst niedrigen Wert zu reduzieren.

Dieser Effekt wird dadurch erreicht, daß man das gewünschte Drehmoment (MS in Nm) der konventionellen Elektromotore durch partikuläre Antriebe mit dem Drehmoment M _N ersetzt und sie über Ritzel (Planeten) auf das Mittelzahnrad (Sonnenrad) gleichzeitig einwirken läßt.

Dadurch erhöht sich das dynamische Verhalten und das Anlauf­ drehmoment, wobei der Energieverbrauch im Leerlauf auf ein Minimum sinkt. Das Verhältnis Volumen zur abgegebenen Lei­ stung und der Wirkungsgrad steigen beträchtlich.

Bei der Verwendung von Servomotoren mit eisenlosem Anker (sogen. Glockenanker oder Trommelanker) als Partikularan­ triebe ist auch das Verhältnis Volumen zu Gewicht und Leistung wesentlich günstiger als bei konventionall aufgebauten elek­ tromechanischen Antrieben. Der aus Dynamoblechen zusammenge­ setzte Anker ist schwer und daher auch beim Anlaufen sehr langsam. Das Rotorträgheitsmoment (kgm²) und die mechanische Zeitkonstante (ms) sind relativ groß.

Dabei ist das Erreichen dieser Geschwindigkeiten durch das Rotor-Massen-Trägheitsmoment sehr beeinträchtigt. Z.B. ist es bei konventionellen Motoren in diesem Leistungsbereich nur möglich, Drehzahlen im 100-ms-Bereich zu erreichen. Mit dem vorgeschlagenen Antrieb ist es jedoch möglich, diese Drehzahl mit einem 80% geringeren Zeitaufwand zu erreichen.

Das Gleiche gilt für die Antriebsdynamik, d.h. für das schnelle Anfahren, Umschalten u.dgl. Hierdurch wird auch ein wesentlich schnellerer Reversbetrieb erreicht; z.B. würde bei Verwendung eines einzigen Antriebes der Revers­ betrieb 130 ns erfordern. Bei Verwendung dieses neuen Antrie­ bes würde der Reversbetrieb etwa 20 bis 30 ns betragen. Die­ se Werte beziehen sich auf Standarddioden in der Steuer- und Antriebselektronik. Durch Verwendung von speziellen elektro­ nischen Bauelementen kann man noch bessere Regelungswerte erzielen.

Zusammenfassend ist festzustellen:

Die kleine mechanische Zeitkonstante (ms),
das geringe Rotorträgheitsmoment (kgm²),
der geringe Schlupf und daher auch die extrem niedrige Totzeit (ms)

des beschriebenen Antriebssystems sind die entscheidenden Faktoren, die das dynamische Verhalten gegenüber den konven­ tionellen elektromechanischen Antrieben im wesentlichen po­ sitiv unterscheiden.

Daher lassen sich durch dieses neue Präzisionsantriebssystem sehr schnelle Steuer- und Regelprozesse durchführen.

Durch das additive Ansteuern der Partikularantriebe erhält man der Anzahl Xa der Antriebe entsprechend viele Leistungs­ stufen. Es läßt sich infolge seines spezifischen mechanischen Aufbaus stufenlos regeln. Durch die Zeitkonstanten geschieht die Positionierung, Drehzahlregelung, Zug- oder Schubge­ schwindigkeit (bzw. Zug- oder Schubkraft) problemlos und absolut präzise.

Die niedrige Leistungsaufnahme der Schwachstrommotore er­ möglicht den Batteriebetrieb (Notstromaggregate), was natür­ lich für Sicherheitsbereiche sowie Bereiche, wo sich Menschen im direkten Kontakt mit gefährlichen Medien befinden, von großer Bedeutung ist. Somit ist es immer möglich, daß bei Ausfall der Computersteuerelektronik, Kabelbruch, Explosion etc. z.B. Hochdruckventile im Sicherheitsbereich doch noch einen definierten und vorher programmierten Zustand erreichen.

Das Gleiche gilt für andere der genannten Anwendungsgebiete.

Abschließend sei nochmals darauf hingewiesen, daß dieser neue Multiantrieb seine Vorteile darauf gründet, daß das Dreh­ moment und damit auch die Schub- oder Zugkraft an der Gewinde­ spindel am Mittelzahnrad durch die Anzahl der Einzelantriebe und somit auch der kleinen Drehmomente bestimmt wird, wobei die Dynamik des Multisystems nicht beeinträchtigt wird.

Auf diese Weise entsteht ein "n-Phasen-Multiantrieb", der sehr leistungsfähig, schnell, leicht und klein in der Abmessung ist, so daß auch das Verhältnis Volumengewicht zur Leistung sehr günstig wird.

Claims (12)

1. Numerisch gesteuertes elektromechanisches Prä­ zisionsantriebssystem, bei dem die Abtriebswellen (4) von mit eigener Spannungsversorgung versehenen Elek­ tromotoren (1) Ritzel (2) aufweisen, die mit einem in einem gemeinsamen Gehäuse (16) untergebrachten Mittelzahnrad (3) kämmen, das in seiner Mitte eine koaxial zu den Motorwellen angeordnete Arbeitsspin­ del (20) für die anzutreibenden Teile enthält, wobei die Steuerimpulse von den anzutreibenden Teilen zu­ geordneten Parametern bestimmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von nahezu trägheitslosen Schwach­ stromservomotoren (1, 1′), die unabhängig vonein­ ander mittels einer Antriebselektronik mit Notstrom­ aggregat synchron gesteuert sind, kleine Einzeldreh­ momente haben, und daß die Ritzel (2, 2′) als Plane­ tenräder und das Mittelzahnrad (3) als Sonnenrad mit relativ kleiner Zahnung versehen sind, wobei sich die Summe der Einzeldrehmomente in der Arbeits­ spindel (20) des Mittelzahnrades (3) addiert und ein Multidrehmomentantrieb entsteht, der eine Rota­ tions- oder/und Translationsbewegung der Arbeitsspin­ del bewirkt.

2. Numerisch gesteuertes elektromechanisches Prä­ zisionsantriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Servomotoren (1, 1′) als hochüberlastbare Motore mit eisenlosem Anker und Permanentstator ausgebildet sind.

3. Numerisch gesteuertes elektromechanisches Prä­ zisionsantriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Servomotore (1, 1′) mit der zugehörigen An­ triebselektronik (81) einschließlich ihrer Notstrom­ aggregate (10, 10′) jeweils zu einer Einheit verbun­ den sind.

4. Numerisch gesteuertes elektromechanisches Prä­ zisionsantriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Rotationsbewegung das Mittelzahnrad (3) mit der als Abtriebswelle (4) wirkenden Arbeitsspindel einstückig ist.

5. Numerisch gesteuertes elektromechanisches Prä­ zisionsantriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Translationsbewegung die Nabe des Mittelzahn­ rades (3) und die Arbeitsspindel (20) über ein Ge­ winde (19) miteinander verbunden sind.

6. Numerisch gesteuertes elektromechanisches Prä­ zisionsantriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewinde (19) eine Kugelumlaufspindel mit Kugelumlaufbüchse oder ein Satellitengetriebe ist.

7. Numerisch gesteuertes elektromechanisches Prä­ zisionsantriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Motorwellen bzw. die zugehörigen Ritzel (2, 2′) kreisförmig und in gleichen Abständen voneinander um die Arbeitsspindel (20) des Mittel­ zahnrades (3) angeordnet sind, wobei die Teilkreise der Antriebsritzel und des Mittelzahnrades sich be­ rühren.

8. Numerisch gesteuertes elektromechanisches Prä­ zisionsantriebssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Motore (1, 1′) auf beiden Seiten der Ebene des Mittelzahnrades (3) entsprechend versetzt angeordnet sind.

9. Numerisch gesteuertes elektromechanisches Prä­ zisionsantriebssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittelzahnrad (3) in einem mit dem gemeinsamen Gehäuse (16) verbundenen Grundchassis (9) vorzugs­ weise in Nadellagern axial gelagert ist.

10. Numerisch gesteuertes elektromechanisches Prä­ zisionsantriebssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittelzahnrad (3) radial in einer Geräte-An­ schlußeinrichtung (15) und in einem Deckel (5) zum Grundchassis (9) gelagert ist.

11. Numerisch gesteuertes elektromechanisches Prä­ zisionsantriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Translationsbewegung der Arbeitsspindel (20) deren Rotation durch eine Rotationssperre (21) ver­ hindert wird.

12. Numerisch gesteuertes elektromechanisches Prä­ zisionsantriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichzeitiger Rotations- und Translations­ bewegung die Arbeitsspindel (20) aus zwei Teilen besteht, die über eine Rutschkupplung (42) glei­ tend miteinander verbunden sind.