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    公开号:WO1986004467A1
    申请号:PCT/DE1985/000552
    申请日:1985-12-20
    公开日:1986-07-31
    发明作者:Jaroslav Tecinsky
    申请人:Jaroslav Tecinsky；
    IPC主号:H02K7-00
    专利说明:
    [0001] Numerisch gesteuertes elektro echanisches Präzis onsantriebsSystem
    [0002] Die Erfindung betrifft ein numerisch gesteuertes elektro¬ mechanisches Präzisionsantriebssystem der im Gattungsbe¬ griff des Hauptanspruchs angegebenen Art.
    [0003] Aus der DE-OS 33 45 528 ist ein Verfahren zur Steuerung von motorbetriebenen Hochdruckventilen bekannt, bei wel¬ chen die Steuerung der Bewegung der Ventil regelachse in Ab¬ hängigkeit von laufend durchgeführten und im Ergebnis ste¬ tig angezeigten Parametern wie Druck, Temperatur, Position des Ventilkegels u.dgl. automatisch und vollelektronisch gesteuert wird. Bei einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist fü r die Venti 1 rege! achse lediglich ein einzelner Verstel Imotor vorgesehen. Dies hat zur Folge, daß bei Ausfall des Motors die Anlage stillgelegt werden muß.
    [0004] Aus der DE-OS 29 52 595 sind ein Verfahren und eine Anord¬ nung zur Steuerung, Überwachung und Verbrauchsmessung eines Fl uiddurchflußventil s bekannt geworden, bei welchen das Signal zur Steuerung der Stellung des Ventil körpers zur Messung des das Ventil durchströmenden Fl uidvol umens verwendet wird. Auch hier ist nur ein einz-elner Schritt¬ motor vorgesehen.
    [0005] Herkömmlich aufgebaute elektromechanische Antriebssysteme
    [0006] Ersateblatf sind wegen der Massenträgheit relativ langsam und wenig dynamisch. Sie laufen nur schwer an und können nicht fein genug angesteuert werden. Es hat sich herausgestellt, daß mit den bekannten Ventilsteuerungen die vielseitigen An- sprüche nicht erfüllt werden können, die insbesondere in der modernen Meß-, Steuer- und Regeltechnik an große und schwere elektro echanische Antriebe gestellt werden.
    [0007] 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 Drehmoment- bereich und über kleinste Meßstrecken genauestens bewegen^ können, und zwar sowohl im Rotationsbetrieb als auch im Translationsbetrieb sowie im kombinierten Rotations/Trans- lationsbetrieb. Diese Aufgabe wird bei einem el ektromecha- nischen Präzisionsantriebssystem der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Mitteln gelöst.
    [0008] Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
    [0009] Auf diese Weise erhält man ein elektromechanisches Antriebs¬ system mit einem extrem günstigen Verhältnis von Drehmo¬ ment bzw. Schub- und Zugkraft z-um. Antriebsvolumen, das folgende Vorteile mit sich bringt:
    [0010] 1. kleines Volumen und damit geringes Gewicht,
    [0011] 2. für dieses kleine Volumen ein hohes Dreh- bz.w. Schubmoment,
    [0012] ERSÄTZBLATT 3. geringer Energieverbrauch,
    [0013] 4. sehr präzise Positionseinstellung mit entsprechen¬ der Rückmeldung und guter Reproduzierbarkeit,
    [0014] 5. gegen hydraul schen Antrieb sofortige Betriebs- bereitschaft,
    [0015] 6. Anschlußmöglichkeit an einen Computer über eine standardisierte Schnittstelle.
    [0016] Als Anwendungsgebiete kommen insbesondere in Frage:
    [0017] 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 An¬ triebe einwandfrei funktionieren sollen.
    [0018] Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen des Erf ndungsgegen¬ standes näher erläutert. Es zeigen
    [0019] Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Ansicht im Längs¬ schnitt für Rotationsantrieb; Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf das Antriebssystem;
    [0020] Fig. 3 einen Längsschnitt für Translationsbetrieb;
    [0021] Fig. 4 einen Teil 1 ängsschnitt für abwechselnden Rotations¬ und Translationsbetrieb;
    [0022] EBSATZBLATT Fig. 5 einen Längsschnitt für gleichzeitigen Rotations¬ und Translationsbetrieb;
    [0023] Fig. 6 eine Ansicht von oben auf das Grundchassis;
    [0024] Fig. 7 eine Draufsicht auf den zu Fig. 6 gehörenden Deckel ;
    [0025] Fig. 8 einen Schnitt gemäß Linie A-B in Fig. 7;
    [0026] Fig. 9 eine teilweise aufgebrochene Draufsicht auf Zu¬ sammenbau von Grundchassis, Deckel und Gehäuse;
    [0027] Fig. 10 eine Ansicht des Zusammenbaus in Fig. 9 mit Motor- einheiten, Notstromversorgung und Verkabelung;
    [0028] Fig. 11 einen Teilaufbau von Grundchassis, Deckel , Motor¬ einheiten, Antriebselektronik und Steuerelektronik;
    [0029] Fig. 12 einen Längsschnitt durch den Aufbau der Fig. 3 mit Steuerelektronik und Verkabelung; Fig. 13 ein Blockdiagramm;
    [0030] Fig. 14 einen Größenvergleich der Zahnmodule;
    [0031] Fig. 15 ein Belastungsdiagramm.
    [0032] In Fig. 1 ist eine für den einfachsten Anwendungsfall , nämlich für das Rotationsprinzip, bestimmte Anordnung dar- gestel 1 t.
    [0033] Das Rotationsprinzip zeichnet sich dadurch aus, daß sämt¬ liche Motor- und Motorgetriebeeinheiten 1 gleichzeitig über ihre Antriebsritzel 2 auf das Mittel zahnrad 3, das mit der Abtriebswelle 4 fest verkoppelt ist, einwirken. Die Mo¬ toreinheiten 1 sind kreisförmig um das Mittelzahnrad 3 grup- pert, so daß die Ritzel 2 nach Art von Planetenrädern mit einem Sonnenrad 3 kämmen, wobei die beiderseitigen Teil- kreise einander berühren.
    [0034] Diese feste Kopplung wird in Fig. 1 dadurch erreicht, daß das Mittelzahnrad 3 und die Abtriebswelle 4 einstückig sind.
    [0035] Die Kraftübertragung auf andere Geräte kann auf bekannte Weise, z.B. durch Rutschkupplung, Nut und Feder, einen Keil od. dgl. erfolgen.
    [0036] 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 Antriebseinhei¬ ten 1 für bestimmte Zeit mit Energie versorgen, unterge¬ bracht.
    [0037] 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 beschrieben werden.
    [0038] 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.
    [0039] Ein Gehäuse 16 umschließt die ganze Anordnung, das am Deckel 5 mittels einer Verschraubung 17 befestigt ist.
    [0040] Die mechanische Anpassung an die Arbeitsmaschinen erfolgt über die Geräteanschl ußvorri chtung 15 durch entsprechende Adapter, die auf die jeweils erforderliche Art angebracht werden können.
    [0041] ERSATZBL TT Die Energieversorgung erfolgt entweder durch ein Kabel 87 (Fig.11), das mit Kabeldurchführungen und Zugentlastung versehen ist, oder über Gerätestecker und Gerätebuchse 31 (Fig.3).
    [0042] Bei den Motoren 1 handelt es sich vorzugsweise um Schwach- strom-Servomotore mit eisenlosem Anker und permanentmagne¬ tischem Stator.
    [0043] In Fig. 2 ist schematisch die kreisförmige Anordnung der Motoreinheiten 1 und das Zusammenwi rken der Planetenräder 2 mit dem Sonnenrad 3 dargestellt. Gleichzeitig ist angedeu¬ tet, daß sich ein Teil der Motoreinheiten mit den Einzel- Drehmomenten M.1 , M3, Mc5, M-7, und Mn auf der einen Seite des Grundchassis 9 befindet, während eine gleich große
    [0044] Gruppe mit den Einzel -Drehmomenten M-,-M-,- Mg, Mg versetzt dazu zwecks Platzersparnis auf der anderen Seite bzw. auf dem zugehörigen Deckel 5 angeordnet ist.
    [0045] Die nachfolgenden Ausf hrungsbeispiele zeigen sämtlich diese Doppelanordnung der Motoreinheiten 1 auf beiden Seiten des Grundchassis 9.
    [0046] Dieser partikuläre Aufbau des "Mul tiantriebs" 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 Mittel Zahnrades erfolgt, da sich die Summe der einzelnen Drehmomente erst im Mittelpunkt des großen Mittelzahnrades addiert nach der Formel
    [0047] MQ = Mt * M- + M3 + M4 * Mn
    [0048] IRSATZBt-A Anhand von Fig. 3 wird erläutert, wie man vom Rotations¬ prinzip zum Translationsprinzip gelangt.
    [0049] 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 Präzisionsfüh- rung 23 geführt. Sie ist mit der Spindel 20 durch eine Ver¬ schraubung 24 oder eine andere Art der Befestigung fest ver- bunden.
    [0050] Zusätzlich wirkt diese Präzisionsführung 23 auf den Schlei¬ fer 25 eines .1 inearen Wegegebers 26. Die abgelesene Span¬ nung an dem linearen Wegegeber 26 ist dem Weg der Spindel 20 proportional .
    [0051] An dem Grundchassis 9 sind wie auch an dem Deckel 5 die Mo¬ tor- θder Motorgetriebeeinheiten 1 bzw. 1' sowie die Not¬ stromversorgungen 10 bzw. 10* für beide befestigt.
    [0052] Die Energieversorgung für die Motoreinheiten und Nαtstrom- versorgung erfolgt über eine Steckverbindung 31, die am Ge¬ häuse 16 angebracht ist.
    [0053] Das Gehäuse 16 ist sowohl an der Geräteanschlußvorrichtung 15 mit der Verschraubung 34 als auch am Deckel 5 mittels einer Verschraubung 17 befestigt.
    [0054] ^safeb/at Die Ankopplung an die Arbeitsmaschinen erfolgt so wie bei dem Rotationsprinzip mittels einer Verschraubung 36 oder über andere geeignete Adapter.
    [0055] 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.
    [0056] Die Wegeaufnehmer können auf bekannte Art als induktive We¬ geaufnehmer, als lineare Wegeaufnehmer, als Rotations-We- geaufnehmer oder als inkrementale Wegeaufnehmer ausgebildet sein. Wenn die Wegeaufnehmer als Potentiometer ausgebildet sind, kann eine dem Weg proportionale Spannung abgegriffen werden. Beim Inkre ental -Wegeaufnehmer werden dem Weg ent¬ sprechende Impulse gezählt und auf einer Anzeige dargestellt. Man kommt auf diese Weise zu einer Ablesegenauigkeit von 10"6.
    [0057] 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 Ober¬ teil gemeinsam mit der Spindel 20 zu verschieben, wobei die Sicherung gegen Drehung durch Paßstifte, Führungsbol- zen oder ähnliche Feststell ittel zwischen dem Grundchassis 9, dem Deckel 5 und dem Oberteil des Gehäuses 16 erfolgt.
    [0058] Man kann auch das Rotations- und das Translationsprinzip nacheinander anwenden, wie dies in Fig. 4 angedeutet ist.
    [0059] Dieses Rotations-Translations-Prinzip beruht darauf, daß der Spindelführungszyl inder 21 mit der Rotationssperre zum
    [0060] SRSATZBLAT einen am Mittelzahnrad 3 durch eine Klemmvorrichtung 37 festgehalten wird und zum anderen beim Translationsbe¬ trieb mit dem nicht drehenden Teil 38 des Antriebes durch eine Klemmvorrichtung 39 festgehalten wird, so daß zunächst Rotation und dann Translation erfolgt. Das Rotationsdrehmo¬ ment entspricht dem vorher beschriebenen Rotationsprinzip, ebenso wie die Schub- oder Zugkraft dem vorher beschriebe¬ nen Translationsprinzip entspricht.
    [0061] Vorteilhaft ist dabei eine induktive Umschaltung vom Rota¬ tionsbetrieb zum Translationsbetrieb und umgekehrt.
    [0062] Durch das Umpolen der Polarität der Gleichstromversorgung einer Induktivität 40 wird der als Anker wirkende Spindel- führungszyl nder 21 nach Oben oder nach unten in die jewei¬ lige Klemmvorrichtung 37 oder 39 eingepreßt. Dadurch wird der Spindel führungszyl inder 21 entweder mit dem drehenden Teil, d.h. dem Mittelzahnrad 3, oder mit dem feststehenden Teil 38 verbunden. Auf diese Art und Weise entsteht die aufeinanderfolgende Rotations-Translations-Bewegung.
    [0063] Es ist aber auch möglich, das Rotationsprinzip und das Translationsprinzip gleichzeitig anzuwenden, wie in Fig. 5 gezeigt.
    [0064] Bei gleichzeitiger Rotations-Translations-Bewegung wirkt die Spindel 20, die in der Kugel Umlaufbuchse 19 über eine Kupplung 42 geführt wird, auf eine weitere Spindel 43, die in einer weiteren Kugel uml aufbuchse 44 geführt wird, ein. Die Rotation der Spindel 20 wird durch die Rotationssperr¬ führung 21 verhindert, so daß die Spindel 20 eine Transla¬ tionsbewegung beschreibt. Dadurch, daß die Spindel 43 nicht
    [0065] ERSATZBLATT mit der Spindel 20 gekoppelt ist, jedoch sich in einer Ku¬ gelumlaufbuchse 44 befindet, die eine bestimmte Steigung besitzt, beschreibt die zusätzliche Spindel 43 eine gleich¬ zeitige Rotations-Translations-Bewegung.
    [0066] Die Translationsgeschwindigkeit entspricht der Drehzahl der Motorgetriebeeinheiten 1 und der Steigung der Kugelum¬ laufbuchse 19.
    [0067] Die Translations-Rotationsbewegung der Spindel 43 setzt sich aus der Bewegung der vorher beschriebenen Bewegung der Spindel 20 und der Steigung der Kugelumlaufbuchse 44 zu¬ sammen.
    [0068] Die beiden Spindeln 20 und 43 sind nicht fest, sondern glei¬ tend miteinander gekoppelt. Dazwischen können sich Nadella¬ ger befinden oder man kann die Verbindung mit einer Rutsch¬ kupplung 42, deren übertragungsdrehtnoment variabel einge¬ stellt werden kann, versehen. Auch andere auf dem Markt befindliche Kupplungen sind nach Bedarf verwendbar.
    [0069] Die Befestigungsart dieses Antriebes an die Arbeitsmaschi¬ nen kann ebenfalls nach den vorher beschriebenen Prinzipien erfol gen.
    [0070] 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 Kraftüber¬ tragungselemente (Ritzel 2, Zahnrad 3, Kugel um! aufspindel 19 und Abtriebswelle 4) integriert.
    [0071] tRSATZBLATT Das Grundchassis ist das einzige tragende Element, das über die Geräteanschlußvorrichtung 15 mit sämtlichen Ar¬ beitsmaschinen aus den verschiedensten Anwendungsbereichen gekoppelt werden kann.
    [0072] Die Fig. 7 stellt den Deckel 5 des Grundchassis 9 dar. Der Deckel 5 ist mit Durchgangsbohrungen 45 für die spätere Befestigung am Grundchassis 9 mittels Schrauben 49 versehen,
    [0073] 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 Motorge¬ triebe-Befestigungskonsolen 14 versehen.
    [0074] Fig 8 ist ein Schnitt A-B durch die Vorderansicht des
    [0075] Deckels 5 mit dem Lager 6. Gleichzeitig sind die Führungen 48 für die Motor- oder Motorgetriebeeinheiten 1 ersichtlich
    [0076] Fig. 9 stellt eine Draufsicht auf den Zusammenbau des Grundchassis 9, des Deckels 5 sowie des Gehäuses 16 ohne Motorgetriebeeinheiten dar.
    [0077] Der Deckel 5 wird am Grundchassis 9 durch Schrauben 55 festgeschraubt, das Gehäuse 16 wird durch Schrauben 56 an dem Deckel 5 entsprechend befestigt.
    [0078] In Fig. 10 ist eine Vorderansicht von einem Teil des Grund¬ chassis 9 mit auf den Befestigungskonsolen 14 angebrachten Motor- oder Motorgetriebeeinheiten 1 und des Deckels 5 mit auf den Konsolen 14 angebrachten Motor- oder Motorgetrie¬ beeinheiten l 1 dargestellt. Zusätzlich befinden sich auf dem Grundchassis 9 die Not¬ stromversorgungen 10 bzw. 10' auf dem Deckel 5.
    [0079] 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 festgeschraubt. Sie bilden mit den Befestigungskonsolen 14 einen Einschub, der in den Chassisdeckel 5 geführt wird, aber an dem Grundchassis durch die Verschraubung 51' be¬ festigt ist.
    [0080] 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 Not¬ stromversorgung befindlichen Kontakten 55 auf der Lötlei¬ ste 53 anschließt. Dies ist durch die Verdrahtung 54 ge¬ geben.
    [0081] 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 Befestigungs¬ konsolen 14 die angebrachten Motor- oder Motorgetriebeein- heiten 1, die mit den Befestigungskonsolen durch Verschrau- bungen 78 befestigt sind. Dort sind ebenfalls die Motorge¬ triebeeinheiten 1, die in einem bestimmten Winkel , der sich nach der Anz4hl der Motor- oder Motorgetriebeeinheiten rich¬ tet, versetzt angebracht.
    [0082] Auf dem Deckel 5 befindet sich die Antriebselektronik 81 mit der integrierten Notstromversorgung 10' , die mit einer Löt- stiftleiste 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.
    [0083] Die Verbindung mit der Steuerelektronik 85 erfolgt durch einen Gerätestecker 86 und ein Kabel 87, das andererseits 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 Antriebselektronik 81 gegeben. Die Steuerelektronik wird vom Netzanschluß 90 über einen nicht stabilisierten Netz¬ teil 91 und über die Stromspannungsregelung 92 mit einer stabilisierten Spannungsversorgung versorgt.
    [0084] Fig. 12 stellt den Anschluß des numerisch gesteuerten elek- tromechanischen Präzisionsantriebssystems an die Steuer-' elektronik 85 dar. Die Steuerelektronik 85 wird über eine Einbaugerätedose 89, den Kabelstecker 88 und den Kabel- Stecker 86 an die Steckerbuchse 31 angeschlossen.
    [0085] Die Steckerbuchse 31 wird mit der Antriebselektronik 81 über ein Kabel 97 elektrisch verbunden.
    [0086] In dem Blockdiagramm der Fig. 13 ist der Zusammenhang der elektronischen Baugruppen veranschaulicht. Einzelheiten ergeben sich aus der DE-OS 33 45 528.
    [0087] Hier sind auch Einzelheiten über den Aufbau und die Wir- kungsweise der Steuerelektronik 85 angegeben. Diese Steue¬ rung ist ebenso wie diejenige gemäß DE-OS 33 45 528 Compu¬ ter- und "CAMAC'-kompatibel .
    [0088] £RSATZBLATT 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.
    [0089] 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.
    [0090] Bei dem dargestellten Beispiel sei ein Drehmoment von 200 Nm mit entsprechender Schubkraft gefordert.
    [0091] Bei Verwendung eines einzigen Antriebes beträgt der Durchmesser des Mittelzahnrades 3 389,888 mm, der Durchmesser der Ritzel 2 ' 54,000" mm bei einem Achsenabstand von 443,000 mm.
    [0092] Das entspricht einem Modul 71 m = 3.
    [0093] Bei 16 Antrieben 1, 1 " beträgt dagegen der Mittel zahnrad-Durchmesser nur 103,970 mm, derjenige der Ritzel nur 14,400 mm.
    [0094] Das entspricht einem Modul 72 m = 0,8.
    [0095] Man erhält also zu den anderen bereits erörterten Vorteilen eine erhebliche Reduzierung des Raumbedarfs bei gleicher
    [0096] Leistung, ganz abgesehen von verringertem Schlupf, dement¬ sprechend weniger Totzeiten und einer entsprechend größeren Dynamik des Systems.
    [0097] In Fig. 15 ist ein. Belastungsdiagramm aufgezeichnet. Das Belastungsdiagramm MS/MG ist eine graphische Darstellung
    [0098] SRSATZBLATΓ des proportional ansteigenden Drehmoments MS am Sonnenrad 2 zur ansteigenden Belastung F(Nm) an der Abtriebswelle 4 bzw. der Kugelumlaufspindel 20.
    [0099] Wenn MS das geforderte Gesamtdrehmoment (Sonnenrad),
    [0100] MG das geforderte Drehmoment an der Abtriebswelle
    [0101] (Ritzel) des partikulären Antriebes (Motoreinheit), Xa die Anzahl der Partikularantriebe (z.B.16) ist, dann ist MG = 1/Xa . MS.
    [0102] Die Kurve MG in dem Belastungsdiagramm stellt den Verlauf des geforderten Drehmoments bei der Verwendung von mehreren Partikularantrieben dar. Es ist aus der Formel ersichtlich, 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 ausgelastet werden müssen (Sicherheitsbereich).
    [0103] Das interessante Phänomen dieses Antriebes ist, daß das dy¬ namische Verhalten des gesamten Antriebes dem dynamischen Verhalten des Partikularantriebes entspricht, d.h., daß das Rotorträgheitsmoment (kgm2) des gesamten Antriebes dem Rotorträgheitsmoment des Partikularantriebes entspricht, wobei natürlich das Trägheitsmoment des Sonnenrades 3 zu berücksichtigen wäre.
    [0104] 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 (Up ) an der Abtriebswelle des Antriebs¬ systems.
    [0105] Bei 16 Partikularantrieben, d.h. bei Xa = 16, werden im dargestellten Beispiel die Antriebe mit nur etwa 32% be¬ lastet. Daraus ergibt sich, daß bei Ausfall von über 60% die Funktionsfähigkeit dieses Antriebssystems voll gewähr- leistet bleibt. Bei einem Ausfall von 60% eines konventio¬ nellen Antriebes ist die Funktion dagegen nicht mehr ge¬ währleistet.
    [0106] Dadurch, daß sich die Kräfte auf den gesamten Umfang des Mittelzahnrades oder-Sonnenrades 3 verteilen, sinkt auch die mechanische Beanspruchung der Verzahnung.
    [0107] Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel mit einer Bela¬ stung F = 10.000 N entsprechend der Kurve F(MS) bei 16 das Sonnenrad 3 umgebenden Schwachstrom-Servomotoren 1, 1 ' benötigen diese jede eine Leistung von 12 V . 1,1 A =13,2 W d.h. alle 16 zusammen eine Leistung von 211,20 W.
    [0108] Wenn das Mittel zahnrad einen Durchmesser von 80 mm, die Ritzel 2 einen Durchmesser von 12 mm, die Welle 4 bzw.
    [0109] Spindel 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.
    [0110] 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.
    [0111] Dieser Effekt wird dadurch erreicht, daß man das gewünschte
    [0112] Drehmoment (MS in Nm) der konventionellen El ektromotore durch prartikuläre Antriebe mit dem Drehmoment M„n ersetzt und sie über Ritzel (Planeten) auf das Mittel zahnrad (Son¬ nenrad) gleichzeitig einwirken läßt.
    [0113] Dadurch erhöht sich das dynamische Verhalten und das An¬ laufdrehmoment, wobei der Energieverbrauch im Leerlauf auf ein Minimum sinkt. Das Verhältnis Volumen zur abgegebenen Leistung und der Wirkungsgrad steigen beträchtlich.
    [0114] Bei der Verwendung von Servomotoren mit eisenlosem Anker (sogen. Glockenanker oder Trommelanker) als Partikularan¬ triebe ist auch das Verhältnis Volumen zu Gewicht und Lei- stung wesentlich günstiger als bei konventionell aufgebau¬ ten elektromechanischen Antrieben. Der aus Dynamoblechen zusammengesetzte Anker ist schwer und daher beim Anlaufen sehr langsam. Das Rotorträgheitsmoment (kgm ) und die me¬ chanische Zeitkonstante (ms) sind relativ groß.
    [0115] 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, die¬ se Drehzahl mit einem 80% geringeren Zeitaufwand zu errei¬ chen .
    [0116] Ersafzbla t Das Gleiche gilt für die Antriebsdynamik, d.h. für das schnelle Anfahren, Umschalten u. dg!.. Hierdurch wird auch ein wesentlich schnellerer Reversantrieb erreicht; z.B. würde bei Verwendung eines einzigen Antriebes der Re- versbetrieb 130 ns erfordern. Bei Verwendung dieses neuen Antriebes würde der Reversbetrieb etwa 20 bis 30 ns betra¬ gen. Diese Werte beziehen sich auf Standarddioden in der Steuer- und Antriebselektronik. Durch Verwendung von spe¬ ziellen elektronischen Bauelementen kann man noch bessere Regelungswerte erzielen.
    [0117] Zusammenfassend ist festzustellen:
    [0118] Die kleine mechanische Zeitkonstante (ms), das geringe Rotorträgheitsmoment (kg 2), der geringe Schlupf und daher auch die extrem niedrige Totzeit (ms) des beschriebenen Antriebssystems sind die entscheidenden Faktoren, die das dynamische Verhalten gegenüber den kon- ventionellen elektromechanischen Antrieben im wesentlichen positiv unterscheiden.
    [0119] Daher lassen sich durch dieses neue Präzisionsantriebssy¬ stem sehr schnelle Steuer- und Regelprozesse durchführen.
    [0120] Durch das additive Ansteuern der Partikularantriebe erhält man der Anzahl Xa der Antriebe entsprechend viele Leistungs¬ stufen. Es läßt sich infolge seines spezifischen mechani¬ schen Aufbaus stufenlos regeln. Durch die Zeitkonstanten geschieht die Positionierung, Drehzahl regel ung , Zug- oder Schubgeschwindigkeit (bzw. Zug- oder Schubkraft) problemlos und absolut präzise.
    [0121] ERSATZBLATT Die niedrige Leistungsaufnahme der Schwachstwmmotoren er¬ möglicht den Batteriebetrieb (Notstromaggregate), was na¬ türlich für Sicherheitsbereiche sowie Bereiche, wo sich Men¬ schen im direkten Kontakt mit gefährlichen Medien befinden, von großer Bedeutung ist. Somit ist es immer möglich, daß bei Ausfall der Computersteuerelektronik, Kabelbruch, Ex¬ plosion etc. z.B. Hochdruckventile im Sicherheitsbereich doch noch einen definierten und vorher programmierten Zu¬ stand erreichen.
    [0122] Das Gleiche gilt für andere der genannten Anwendungsgebiete,
    [0123] Abschließend sei nochmals darauf hingewiesen, daß dieser neue Multiantrieb seine Vorteile darauf gründet, daß das Drehmoment und damit auch die Schub- oder. Zugkraft an der Gewindespindel am Mittelzahnrad durch die Anzahl der Ein¬ zelantriebe und somit auch der kleinen Drehmomente bestimmt wird, wobei die Dynamik des Multisystems nicht beeinträch¬ tigt wird.
    [0124] Auf diese Weise entsteht ein "n-Phasen-Mul tiantrieb" , der sehr leistungsfähig, schnell , leicht und klein in der Ab¬ messung ist, so daß auch das Verhältnis Volumengewicht zur Leistung sehr günstig wird.
    [0125] ERSATZBLATT
    权利要求:
    ClaimsPatentansprüche
    1. Numerisch gesteuertes elektromechanisches Präzi¬ sionsantriebssystem, 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 Arbeitsspindel (20) für die anzutreibenden Teile enthält, wobei die Steuerimpulse von den anzutreibenden Teilen zuge- ordneten Parametern bestimmt sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ' eine Vielzahl von nahezu trägheitslosen Schwachstrom¬ servomotoren (1 , 1'), die unabhängig voneinander mittels einer Antriebsel ektronik mit Notstroma'ggregat synchron gesteuert sind, kleine Einzeldrehmomente haben, und daß die Ritzel (2, 2') als Planetenräder und das Mittelzahnrad (3) als Sonnenrad mit relativ kleiner Zahnung versehen sind, wobei sich die Summe der Einzeldrehmomente in der Arbeitsspindel (20) des Mittelzahnrades (3) addiert und ein Mul tidrehmoment- antrieb entsteht, der eine Rotations- oder/und Trans¬ lationsbewegung der Arbeitsspindel bewirkt.
    2. Numerisch gesteuertes elektromechanisches Präzi- sionsantriebssystem nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Servomotoren (1, 1') als hochüberl astbare Motore mit eisenlosem Anker und Permanentstator ausgebildet sind
    ERSATZBLATT
    3. Numerisch gesteuertes elektro echanische Prä¬ zisionsantriebssystem nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Servomotore (1,1') mit der zugehörigen An- triebselektronik (81) einschließl ch ihrer Notstrom¬ aggregate (10,10') jeweils zu einer Einheit verbun¬ den sind.
    4. Numerisch gesteuertes elektromechanisches Prä- zisionsantriebssystem nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß bei Rotationsbewegung das Mittelzahnrad (3) mit der als Abtriebswelle (4) wirkenden Arbeitsspindel einstückig ist.
    5. Numerisch gesteuertes elektromechanisches Prä¬ zisionsantriebssystem nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Gewinde (19) eine Kugel um! aufspindel mit Kugelumlaufbüchse oder ein Satell itengetriebe ist.
    7. Numerisch gesteuertes elektromechanisches Prä- zisionsantriebssystem nach einem der Ansprüche
    1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
    ERSATZBLATT daß die Motorwellen bzw die zugehörigen Ritzel (2,2') kreisförmig und in gleichen Abständen voneinander um die Arbeitsspindel (20) des Mittelzahnrades (3) ange¬ ordnet sind, wobei die Teilkreise der Antriebsritzel und des Mittelzahnrades sich berühren.
    8. Numerisch gesteuertes elektromechanisches Prä¬ zisionsantriebssystem 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 Motore (1,1') auf beiden Seiten der Ebene des Mittelzahnrades (3) entsprechend versetzt angeordnet sind.
    9. Numerisch gesteuertes elektromechanisches Prä- zisionsantriebssystem 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 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß bei Translationsbewegung der Arbeitsspindel (20) deren Rotation durch eine Rotationssperre (21) ver¬ hindert wird.
    12. Numerisch gesteuertes elektromechanisches Prä¬ zisionsantriebssystem nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß bei gleichzeitiger Rotations- und Translations¬ bewegung die Arbeitsspindel (20) aus zwei Teilen besteht, die über eine Rutschkupplung (42) gleitend miteinander verbunden sind.
    ERSATZBLATT
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