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DE69432192T2 - Linearantrieb - Google Patents

Linearantrieb

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DE69432192T2
DE69432192T2 DE69432192T DE69432192T DE69432192T2 DE 69432192 T2 DE69432192 T2 DE 69432192T2 DE 69432192 T DE69432192 T DE 69432192T DE 69432192 T DE69432192 T DE 69432192T DE 69432192 T2 DE69432192 T2 DE 69432192T2
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DE
Germany
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bearing
housing
encoder
shaft
rotatable shaft
Prior art date
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DE69432192T
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English (en)
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Inventor
Shigekazu Nagai
Masahiko Suzuki
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Original Assignee
SMC Corp
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Publication date
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Priority claimed from JP5281203A external-priority patent/JPH07133855A/ja
Priority claimed from JP33657493A external-priority patent/JP3370759B2/ja
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Publication of DE69432192T2 publication Critical patent/DE69432192T2/de
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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Stellglied gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
    • Beschreibung des Standes der Technik:
  • Bisher war ein Stellglied bekannt, welches als Antriebsquelle einen Elektromotor hat, der mit einem Sensor, wie bspw. einem Encoder, einem Tachometergenerator oder ähnlichem ausgestattet ist, um es zu ermöglichen, eine Rotationsgeschwindigkeit, ein Antriebsdrehmoment, eine Halteposition, oder ähnliches zu kontrollieren. Die Rotationsbewegung des Elektromotors wird durch eine Antriebskraftübertragungswelle, wie z. B. eine Kugelspindel, eine trapezförmige Spindel, oder ähnlichem in eine Linearbewegung umgewandelt und die Linearbewegung wird an einen Tischmechanismus übermittelt, der verstellt wird, um ein Werkstück zu befördern.
  • Ein Elektromotor, der in solch ein Stellglied eingebaut ist, ist im Längsschnitt in Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen dargestellt. Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, weist der im Allgemeinen mit 1 bezeichnete Elektromotor eine Kupplung 4 auf, die ein Ende einer Kugelspindel 2 und ein Ende einer Motorwelle 3 koaxial miteinander verbindet. Die Kupplung 4 dient zur Absorption einer Fehlausrichtung zwischen den Achsen der Motorwelle 3 und der Kugelspindel 2 und verhindert, dass Vibrationen, welche entstehen, wenn die Rotationsbewegung in eine Linearbewegung umgewandelt wird, und auch Vibrationen, welche dadurch entstehen, dass die Rotationsbewegung eine Krümmungskomponente rechtwinklig zu der Achse enthält, wenn die Kugelspindel 2 länger wird, an die Motorwelle 3 übertragen werden.
  • Ein Ende der Kugelspindel 2 wird von einem ersten Lager 5 drehbar gelagert, welches Kugeln 5a aufweist, die schräg zwischen dessen inneren und äußeren Bahnen angeordnet sind. Da die Kugeln 5a Belastungen mit einem bestimmten Winkel in Bezug zur Achse der Kugelspindel 2 aufnehmen, wie es durch die gestrichelten Linien in Fig. 1 angedeutet ist, sind die Kugeln 5a in der Lage, eine Belastung in einer im Wesentlichen rechtwinkligen Richtung zu der Achse der Kugelspindel 2 und auch eine Belastung in einer im Wesentlichen parallelen Richtung zur Achse der Kugelspindel 2 zu absorbieren.
  • Die Motorwelle 3, welche in einem Motorgehäuse 6 aufgenommen ist, weist ein durch ein zweites Lager 7 drehbar gelagertes Ende und eine Federscheibe 8 auf, sowie ein entgegengesetztes Ende, welches durch ein drittes Lager 9, das eine Doppellageranordnung aufweist, drehbar gelagert ist.
  • Das erste Lager 5 trägt die Kugelspindel 2 sowohl in axialer als auch radial inwärtiger Richtung. Das zweite Lager 7 trägt die Motorwelle 3 in einer radialen Innenrichtung, um so Vibrationen und Trägheitskräfte zu absorbieren, die in einer radialen Außenrichtung durch die Rotationskräfte der Motorwelle 3 entstehen. Das dritte Lager 9 trägt die Motorwelle 3 sowohl in axialer als auch radialer Innenrichtung. In dem Fall, dass ein Fotosensor P in den Elektromotor 1 eingebaut ist, um die Drehzahl, die Rotationsgeschwindigkeit oder ähnliches des Elektromotors 1 zu erfassen, ist es folglich möglich, eine fest an der Motorwelle 3 montierte Encoderscheibe D genau innerhalb eines Zwischenraums A im Fotosensor P zu positionieren.
  • Der Elektromotor 1, welcher dazu neigt, während des Betriebs eine relativ hohe Temperatur zu erfahren, leidet wegen der unterschiedlichen Materialen und Formen der eingesetzten Teile unter dem Problem unterschiedlicher Wärmeausdehnungen. Typischerweise besteht das Motorgehäuse 6 aus einem aluminiumbasierten Material zur Wärmeabstrahlung, und die Motorwelle 3 besteht aus einem eisenbasierten Material. Der Unterschied zwischen den unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der Materialen des Motorgehäuses 6 und der Motorwelle 3 verursacht eine Axialverschiebung des Motorgehäuses 6, was möglicherweise die Belastung auf das die Motorwelle 3 tragende Lager 7 konzentriert. Dementsprechend ist es notwendig, den Unterschied zwischen diesen unterschiedlichen Wärmeausdehnungen auf irgendeine Weise zu absorbieren.
  • Bei dem herkömmlichen Elektromotor 1 ist die Federscheibe 8 zwischen Kugeln 7a des zweiten Lagers 7 und einer Innenwandfläche einer Klammer 6a des Motorgehäuses 6 angeordnet. Der Unterschied zwischen den unterschiedlichen Wärmeausdehnungen kann absorbiert werden, wenn die Federscheibe 8 elastisch verformt wird, sodass sie die Kugeln 7a in eine zur Achse der Motorwelle 3 im Wesentlichen parallele Richtung drückt.
  • Stellglieder zur Durchführung von Dreh- und Linearbewegungen, wie bspw. ein durch einen Elektromotor dargestelltes elektrisches Stellglied und ein durch einen Fluidzylinder dargestelltes Fluiddruckstellglied, werden durch einen Motorantrieb und ein spulenbedientes Ventil gesteuert. Diese Stellglieder, die auch Stellglieder zur Benutzung in Robotern enthalten, sind normalerweise unabhängig von, und nicht integral mit einer Steuerung angeordnet.
  • Wenn der Elektromotor 1 als Stellglied in eine Vorrichtung eingebaut wird (nicht dargestellt), sodass eine Antriebsquelle zur Verfügung steht, ist es notwendig, die Größe und das Gewicht des Stellgliedes so weit wie möglich zu verringern, um die Einsetzbarkeit des Stellgliedes zu erhöhen.
  • Die Kupplung 4, welche die Motorwelle 3 und die Kugelspindel 2 miteinander verbindet, kann, wenn sie gedreht wird, Resonanzen in der Motorwelle 3 und in der Kugelspindel 2 erzeugen. Wenn der wie bei einem Servomotor hohe dynamische Eigenschaften benötigende Elektromotor 1 resonant schwingt, wird dessen Positionssteuerungsgenauigkeit verringert und seine dynamischen Eigenschaften werden beeinträchtigt. Wenn auf die Kupplung 4, welche dazu dient, zu verhindern, dass Vibrationen auf die Motorwelle 3 aufgebracht werden, verzichtet würde, und die Motorwelle 3 und die Kugelspindel 2 einheitlich direkt miteinander gekoppelt würden, um die oben genannten Nachteile zu vermindern, würden unerwünschte Vibrationen an die Motorwelle 3 übertragen. Als Ergebnis wäre es schwierig, ein Werkstück in gleichmäßiger und stabiler Weise zu befördern.
  • Das Dokument WO 93/05321 A1 (entspricht EP 0 601 185 A1) offenbart ein Stellglied gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere sind in diesem Stellglied ein Motor, eine Kugelspindelwelle u. s. w. in einen äußeren Rahmen eingepasst und Direktantriebsführungen sind an beiden Seiten der in diesem Rahmen geformten rillenähnlichen Öffnung vorgesehen. Die Kugelspindelwelle ist an dem zentralen Abschnitt des Rahmens vorgesehen, und ein Tisch gleitet entlang der Direktantriebsführungen mittels der Drehwirkung der Kugelspindelwelle. Der Elektromotor und eine Encodereinheit sind an einem Ende der Kugelspindelwelle montiert und in ein Gehäuse eingebaut. In diesem Gehäuse wird die Kugelspindelwelle durch Lager getragen, welche an ihren entgegengesetzten Enden montiert sind.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Stellglied vorzuschlagen, welches es ermöglicht, den Zwischenraum zwischen den Sensoren und der Encoderscheibe unter axialer Belastung der Welle genau einzuhalten.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Stellglied vorgesehen, welches die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind aus den Unteransprüchen ersichtlich.
  • Die Stellglieder können entsprechende Rahmen aufweisen, wobei die Rahmen Energieversorgungsleitungen und Signalleitungen beinhalten, welche die Komponenten miteinander verbinden. Die Signalleitungen können in einer drahtlosen Anordnung miteinander verbunden sein. Das Stellgliedsystem kann außerdem ein Netzwerkkommunikationssystem zur Verbindung der Komponenten aufweisen.
  • Der Bediener kann Abdeckungen mit unterschiedlichen Formen frei auswählen und an dem Rahmen befestigen, abhängig von der Umgebung, in welcher das Stellglied installiert werden soll, und von der Anwendung, für welche das Stellglied benutzt werden soll. Da die Abdeckungen von dem Rahmen abnehmbar sind, kann das Stellglied durch Entfernen oder Hinzufügen einiger Abdeckungen in eine andere Anordnung verändert werden, wenn das Stellglied an einem anderen Ort installiert werden soll.
  • Vibrationen, die durch die Antriebskraftübertragungswelle erzeugt werden, wenn der Motor unter Strom gesetzt wird, werden durch das erste Lager absorbiert, und folglich daran gehindert, an den Motor übertragen zu werden. Wenn zum Zeitpunkt, an dem der Motor erhitzt wird, eine Verschiebung wegen des Unterschiedes zwischen den Wärmeausdehnungen des Gehäuses und der drehbaren Welle entsteht, wird das Federelement elastisch verstellt, um die Verschiebung zu absorbieren, wodurch verhindert wird, dass Spannungen in der axialen Richtung der Antriebswelle auf das erste Lager aufgebracht werden.
  • Das zweite Lager ist in der Lage, eine Belastung in der axialen Richtung und eine Belastung in einer zur axialen Richtung senkrechten Richtung zu absorbieren.
  • Bei dem Stellgliedsystem ist jede der Komponenten des Stellgliedsystems zur Selbsterkennung einer Steuerung zugeordnet. Folglich können die Stellglieder leicht verändert werden.
  • Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung offensichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gesehen wird, in denen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung als illustrative Beispiele gezeigt sind.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen in ein Stellglied eingebauten herkömmlichen Elektromotor;
  • Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Stellglieds gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 3 zeigt eine perspektivische Teilansicht des in Fig. 2 gezeigten Stellgliedes;
  • Fig. 4 zeigt einen Schnitt des in Fig. 2 gezeigten Stellgliedes.
    • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Ein Stellglied gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den Fig. 2 bis 4 gezeigt.
  • Das Stellglied, allgemein mit 330 bezeichnet, umfasst einen Rahmen 336, der eine Mehrzahl im Wesentlichen paralleler länglicher Rillen 334 mit einem im Wesentlichen T-förmigen Querschnitt hat, die in seinen Seitenflächen ausgebildet sind, außer in einer Seitenfläche mit einer darin definierten Öffnung 332, eine lineare Führung 338, die am Boden des Rahmen 336 angeordnet ist, einen Tischmechanismus 342, welcher bei Drehung der Kugelspindelwelle 340 entlang der linearen Führung 338 linear verstellbar ist, und einen Elektromotor 344, der an ein Ende des Rahmens 336 gekoppelt ist.
  • Wie es in Fig. 3 gezeigt ist, weist der Tischmechanismus 342 ein entlang der linearen Führung 338 gleitbares Lager 346 auf, und einen an das Lager 346 befestigten Tisch 349, welcher entsprechend der Drehung der Kugelspindelwelle 340, die in eine in den Tisch 349 montierte Kugelspindeldurchführung 348 eingeschraubt ist, linear verstellbar ist.
  • Wie es in Fig. 4 gezeigt ist, weist der Elektromotor 344 eine Motoreinheit 352 und eine Encodereinheit 354 auf, welche in einem Gehäuse 350 aufgenommen sind. Das Gehäuse 350 umfasst einen Rahmen 358 mit einer Klammer 356 und eine Endabdeckung 360, die an dem Rahmen 358 befestigt ist. Das Gehäuse 350 enthält eine zur Kugelspindelwelle 340 koaxiale und mit dieser einstückige Antriebswelle 362, wobei die Antriebswelle 362 als Motorwelle dient. Die Antriebswelle 362 wird durch ein durch eine Klammer 356 zurückgehaltenes erstes Lager 364 und ein durch einen Encoderrahmen 366 (ist später beschrieben) zurückgehaltenes zweites Lager 368 drehbar gelagert.
  • Das erste Lager 364, welches ein Tiefrillenkugellager aufweist, wird axial von einer Federscheibe 370 getragen, die seitlich vom ersten Lager 364 angeordnet ist. Das erste Lager 364 und die Federscheibe 370 weisen im Wesentlichen dieselbe Struktur wie diejenigen des in Fig. 1 gezeigten Elektromotors 2 in dem herkömmlichen Stellglied 1 auf, unterscheiden sich aber davon wie folgt:
  • Das erste Lager 364 ist nahe an einem Bereich angeordnet, in welchem die Antriebswelle 362 außerhalb des Gehäuses 350 frei liegt und hält die Antriebswelle 362 radial nach innen, um einen Zwischenraum zwischen einem Permanentmagneten 372 und einer ringförmigen Statorspule 374 der Motoreinheit 352 hochgenau zu erhalten, und auch um von der Biegebewegung der Kugelspindelwelle 340 verursachte Vibrationen daran zu hindern, auf die Motoreinheit 352 übertragen zu werden.
  • Verschiebungen, die zum Zeitpunkt, an dem der Elektromotor 344 erhitzt wird, durch den Unterschied zwischen den Wärmeausdehnungen der Materialien des Rahmens 358 und der Antriebswelle 362 entstehen, werden durch die Federscheibe 370 absorbiert, wenn diese wegen ihrer eigenen elastischen Verformung axial verstellt wird. Dadurch wird verhindert, dass das erste Lager 364 innere Axialspannungen erleidet.
  • Die Motoreinheit 352 weist auch einen ringförmigen Motorrotor 376 und einen Statorkern 378 auf. Der ringförmige Motorrotor 376 und der Permanentmagnet 372 sind nacheinander radial über der Antriebswelle 362 eingepasst, und die ringförmige Statorspule 374 und der Statorkern 378 sind nacheinander radial an einer inneren Wandfläche des Rahmens 358 befestigt, welche sich um den Permanentmagneten 372 erstreckt. Die Antriebswelle 362 und der Motorrotor 376 sind durch Stellschrauben (nicht dargestellt), welche durch den Motorrotor 376 durchgeschraubt sind und gegen an der Antriebswelle 362 geformte flache Flächen 379a, 379b gehalten werden, aneinander befestigt. Alternativ können die Antriebswelle 362 und der Motorrotor 376 durch eine Schlüsselausnehmung und einen Schlüssel, einen Rückhaltering, einen Kragen, einen Kleber oder dgl. aneinander befestigt sein. Weiterhin alternativ kann ein Magnet direkt auf die Antriebswelle 362 montiert und danach magnetisiert werden, wodurch die Antriebswelle 362 und der Motorrotor 376 integral miteinander geformt werden. Mit diesen Befestigungsanordnungen ist es möglich, die Antriebswelle 362 aus dem Gehäuse 350 zu entfernen.
  • Die Encodereinheit 354 umfasst einen Encoderrahmen 366, der an einer inneren Wandfläche der Endabdeckung 360 befestigt ist. Das zweite Lager 368 wird durch eine Lagerhalterung 380 in dem Encoderrahmen 366 gehalten. Das zweite Lager 368 weist ein Doppelschrägkugellager mit zwei parallelen Kugelanordnungen 369 auf. Die zwei parallelen Kugelanordnungen 369 des zweiten Lagers 368 sind um entsprechende Winkel zu einer zur Achse des zweiten Lagers 368 rechtwinkligen Linie geneigt, sodass sie in der Lage sind, eine Belastung in Richtung der Achse des zweiten Lagers 368 und auch eine Belastung in einer Richtung senkrecht zur Achse des zweiten Lagers 368 zu absorbieren. Das zweite Lager 368 kann durch ein anderes kombiniertes Winkelkugellager, ein kombiniertes konisches Rollenlager, ein doppeltes konisches Rollenlager oder ähnliches ersetzt werden.
  • Die Encodereinheit 354 weist ein Paar voneinander beabstandete und durch Stifte 386 an dem Encoderrahmen 366 befestigte Platten 384a, 384b und ein Paar jeweils an den Platten 384a, 384b gesicherte Fotosensoren 388a, 388b auf, wobei die Fotosensoren 388a, 388b als ein Licht aussendendes Element bzw. als ein Licht erfassendes Element dienen. Eine Mutter 390 ist über das entfernte Ende der Antriebswelle 362 geschraubt, und eine ringförmige Encoderscheibe 392 ist fest an und um die Mutter 390 montiert. Die Encoderscheibe 392 weist eine Vielzahl von Schlitzen (nicht dargestellt) auf, die zwischen den Fotosensoren 388a, 388b angeordnet sind. Von dem Licht aussendenden Element ausgesandtes Licht durchquert die Schlitze und wird dann durch das Licht erfassende Element erfasst, um die Rotationsgeschwindigkeit des Motors 344 und die Stellung des Tisches 349 zu erfassen.
  • Der Betrieb und Vorteile des Stellglieds 330 werden im Folgenden beschrieben.
  • Eine über Leitungen mit dem Motor 344 elektrisch verbundene Energieversorgung (nicht dargestellt) wird angeschaltet, um die Motoreinheit 352 unter Strom zu setzen, und dadurch die Antriebswelle 362 in eine vorbestimmte Richtung zu drehen. Die Drehbewegung der Antriebswelle 362 wird durch die Kugelspindelwelle 340 an die Kugelspindeldurchführung 348 übertragen, die linear entlang der Kugelspindelwelle 340 bewegt wird, um den Tisch 349 daran entlang zu verstellen.
  • Während der Motor 344 in Betrieb ist, absorbiert das erste Lager 364 Vibrationen der Kugelspindelwelle 340 und verhindert folglich, dass Vibrationen an die Antriebswelle 362 übertragen werden. Dementsprechend kann die Motoreinheit 352 die Antriebswelle 362 stabil und gleichmäßig drehen, ohne beschädigt zu werden.
  • Wenn der Motor 344 während des Betriebes erhitzt wird, neigt der Rahmen 358 dazu, wegen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der Materialien des Rahmens 358 und der Antriebswelle 362 in axialer Richtung verschoben zu werden. Solch eine Verschiebung kann jedoch durch die Federscheibe 370 absorbiert werden, wenn diese axial elastisch verformt wird. Dementsprechend wird verhindert, dass axiale Spannungen an das erste Lager 364 angelegt werden.
  • Da das zweite Lager 368 die Antriebswelle 362 in einer zu deren Achse rechtwinkligen Richtung und auch in deren Axialrichtung trägt, kann der erwünschte Zwischenraum zwischen den Fotosensoren 388a, 388b mit hoher Genauigkeit erhalten werden, was ein genaues und zuverlässiges Drehen der Encoderscheibe 392 zwischen den Fotosensoren 388a, 388b erlaubt.
  • Die Encodereinheit 354 kann von der Antriebswelle 362 gelöst werden, wenn die Endabdeckung 360 von dem Rahmen 358 entfernt wird.
  • Bei dem integral in dem Stellglied 330 eingebauten Elektromotor 344 sind die Kugelspindelwelle 340 und die Antriebswelle 362 ohne Benutzung irgendeiner dazwischen liegender Kupplung einheitlich zusammengesetzt. Folglich kann der Elektromotor 344 in seiner Größe verringert werden, da er keinen Raum für die Aufnahme einer solchen Kupplung benötigt, und er kann die Antriebswelle 362 drehen, ohne zusätzliche Trägheitskräfte zu erzeugen. Das Ergebnis ist, dass das Stellglied 330 zur Erhöhung der Einsetzbarkeit in Größe und Gewicht verringert werden kann.

Claims (6)

1. Stellglied mit:
einem Elektromotor (344), der eine drehbare Welle (362) aufweist;
einer Antriebskraftübertragungswelle (340) zur Umwandlung der Drehbewegung von dem Elektromotor (344) in eine Linearbewegung; und
einem Tischmechanismus (342), welcher durch die Linearbewegung von der Antriebskraftübertragungswelle (340) bewegbar ist, um ein auf dem Tischmechanismus (342) getragenes Werkstück zu transportieren;
wobei die drehbare Welle (342) und die Antriebskraftübertragungswelle (340) integral miteinander ausgebildet sind;
einem Gehäuse (350), welches sowohl den Elektromotor als auch eine Encodereinheit (354) aufnimmt, wobei die Encodereinheit (354) ein Paar von Sensoren (388a, b), welche in dem Gehäuse (350) angebracht sind, und außerdem eine Encoderscheibe (392) aufweist, welche zwischen den Sensoren (388a, b) angeordnet ist, wobei die Encoderscheibe (392) integral mit der drehbaren Welle (362) gekoppelt ist; und
ersten und zweiten Lagern (364, 368), wobei die drehbare Welle (342) an ihren gegenüberliegenden Enden von den ersten und zweiten Lagern (364, 368) gehalten wird;
dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Lager (368) ein doppeltes Schrägkugellager mit zwei parallelen Kugelreihen (369) aufweist; und
dass ein Encoderrahmen (366) in dem Gehäuse (350) aufgenommen ist, wobei das Paar von Sensoren (388a, b) an dem Encoderrahmen (366) angebracht ist, wobei das zweite Lager (368) in dem Encoderrahmen (366) gehalten wird.
2. Stellglied nach Anspruch 1, wobei das erste Lager (364) nahe der Antriebseinheit (352) angeordnet ist und dass das zweite Lager (368) nahe dem Detektor (354) angeordnet ist, wobei die ersten und zweiten Lager die drehbare Welle (362) axial und radial halten.
3. Stellglied nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Lager (364, 368) einen festgelegten Freiraum zwischen den Sensoren (388a, b) und der Encoderscheibe (392) halten.
4. Stellglied nach Anspruch 1, außerdem mit einem elastischen Element (370) zur Absorption einer Verschiebung, die durch unterschiedliche thermische Expansionen des Gehäuses (350) und der drehbaren Welle (362) erzeugt wird.
5. Stellglied nach Anspruch 1, wobei die drehbare Welle (362) von dem Gehäuse (350) entfernbar ist.
6. Stellglied nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse umfasst:
ein Primärgehäuse (358), welches den Elektromotor (352) aufnimmt; und
eine Endabdeckung (360), die lösbar mit dem Primärgehäuse (358) gekoppelt ist, indem sie über einen Abschnitt des Encoderrahmens (366) gesetzt ist.
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