注塑机注射螺杆的驱动装置 【技术领域】
本发明涉及具有至少各一个用于注射螺杆的旋转运动和轴向运动的电机的注塑机注射螺杆的驱动装置。
背景技术
注塑被分成许多前后连续的过程。通过装料漏斗把塑料供入注射筒。转动的注射螺杆通过螺杆螺距来控制原材料并使这些材料在被加热的注射筒中前进。螺杆的转动一直把塑料送到注射螺杆前端。首先，通过螺杆的几何形状或通过相应的剪切热，原材料被熔化并且呈熔体形式地流到紧接在喷嘴前的一个汇集腔中。作为近似值，大部分熔融热量是通过注射螺杆与筒壁之间的机械做功而得到的，而其余热量是通过加热外壳得到的。在螺杆持续转动的情况下，熔体堆积在汇集腔中并且因在汇集腔中的体积增大而使注射螺杆轴向回撤。如果在汇集腔中准备好了一次注射所需的液态塑料，则停止螺杆的旋转驱动装置。设置在螺杆前端上的回流锁口通过前进运动被关闭。现在，注射螺杆承担起注射活塞的功能。为把这些塑料注入模具中，在典型的现有技术中使用了一种液压系统，该系统因而也被称为活塞式驱动装置。活塞式驱动装置以单纯地轴向运动形式把整个螺杆顶向前，从现在起象简单的活塞那样工作的注射螺杆通过喷嘴把熔体注入模具型腔中。注射分两个阶段进行：第一阶段是真正的充填，所需压力在充填快结束时一直升高到2000巴范围。在充填阶段后是增压阶段，在这里，大致保持充填阶段的最终压力。为确保上述注塑过程，两种类型根本不同的驱动是前提条件：
-活塞意义上的塑化螺杆的轴向驱动；
-供料螺杆意义上的塑化螺杆的旋转驱动。
有人曾提出，将活塞式驱动装置设计成液压式的，而将旋转驱动装置设计成电机驱动式的。能够最佳地利用这两种不同的驱动装置形式的特殊优点。在液压缸的情况下，为做直线运动，没有变形地产生尽可能大的直线推进力。而在电机驱动式驱动装置的情况下，产生一个旋转力，它以经过适当减速的力的形式供人使用。
图1、2示出了现有技术中的两个典型解决方案：图1示出了液压/电动组合式解决方案，图2示出了所谓的电动式解决方案。在图1中，通过一台电机的转轴来操纵旋转运动和一液压活塞的轴向运动。
另一个方式在EP451294中公开了。为了进行螺杆的注射运动，提出了一个简单的曲柄驱动装置，它具有一个在一位置固定的板及一可相对固定板移近和离开的板之间的曲柄或一个肘杆系统。设置曲柄的目的是把驱动轴的正反转动转换成供料注射螺杆的来回运动。用于注射螺杆轴向运动的驱动力或超速动力被用作在该固定板与供料螺杆之间的冲击力。申请人并不知道根据EP451294(对应于DE69018063)的解决方案是否已投入实用中。此文献只致力于把曲柄驱动装置专门用于供料注射螺杆。还知道了，当在零点附近驱动曲柄时，可能会出现问题。在被用于注射螺杆的上述用途中，应该避免接近零点或死点。
EP427438作为另一种可行方式地示出了一个肘杆系统与一个用于模具运动的齿条传动装置的组合方案。没有公开这种组合方案被相应地用于注射螺杆的轴向驱动。但是，总体来说，提出了一种带有用凸缘连接的驱动电机的原有的齿条传动装置。以后，一台单独的电机驱动装置按照专业口语地被理解成是电机轴意义上的单独“轴”。据此，EP427438为用于模具运动的轴提出一个齿条传动装置。这样的齿条传动装置实际上已相当广泛地被用于活动模具的驱动装置。
【发明内容】
本发明的任务是，研究出一种用于注射螺杆的轴向运动和旋转运动的有利的驱动计划。另一个目的是，把适于经济制造的部件组合起来，以便为了注射螺杆的这两种运动形式提供结构最佳的驱动计划。
本发明的注射螺杆驱动装置的特点是，它具有一个有至少一个用于注射螺杆轴向运动的双齿条的齿条超传动机构，其中可以在一个驱动单元中合并旋转运动和轴向运动。
首先，新解决方案有两个不同的提议：
-采用至少一个双齿条，以及
-形成一个驱动单元。
如以下要说明的那样，新解决方案允许有各种实施方式。但共同点就是有分别用于旋转运动和轴向运动的独立电机。研究表明，根据现有技术，完全可以实现只有一个简单的齿条传动机构的组合式传动装置。在实施中，尽管只有一个齿条，但由部件结构尺寸和存在产生的力决定地产生了严重的成本问题。让人吃惊的是，事实证明双齿条传动机构是特别有利的。分力的至少绝大部分自己抵消掉了。核心就是一个驱动单元，它具有两台完全分开的并独立工作的且用于注射螺杆的两种运动的驱动电机，而在驱动单元的输出侧只有一个轴。
至于各种不同的实施方式并且尤其是特别有利的设计方案，参见权利要求2-26。
第一实施方式的一个重要特征是结构紧凑的标准组件或驱动单元，其中两个双齿条平行于注射螺杆轴线地确保了轴向驱动。清楚的解释表明，通过这个特殊的设计方案，可以制造出经济的最佳驱动单元。这意味着较低的生产价格和整个驱动计划的理想功能。形成了这样的结构紧凑的标准组件，它由许多次级组构成。最好使用斜齿。每个齿条两侧的斜齿有利地是相反的，以便平衡由斜齿带来的力。还提议，两个双齿条的斜齿的结构各不相同，以便平衡由两个双齿条的斜齿带来的力矩。在允许使用较小的小齿轮的范围内，所提出的解决方案看起来是很有利的，较小的小齿轮按照常见尺寸廉价了许多。为了校准齿啮合并尽可能完全平衡力，小齿轮被设置成可被调向其转动轴线。在只直接驱动一个小齿轮的情况下，其余齿轮可通过获得最佳啮合的可调节性被精确校准。
第二实施方式也具有一个结构紧凑的标准组件，其中齿条传动机构和旋转驱动装置设置在一个导向管中。
由于这个有利的设计方案，齿条超传动机构与注射螺杆的转动轴线平行且间隔地并最好其齿形朝外地具有两个齿条，其中齿条超传动机构的工作轴线至少近似地与用于注射螺杆旋转运动的旋转驱动轴重合。
第二实施方式的特点是，用于旋转运动的传动齿轮箱和用于轴向运动的传动齿轮箱被一体地组合在一个共同的标准组件中。如还要说明的那样，第二解决方案允许具有出人意料的紧凑性，这就是因为两个驱动轴被分配给一单个的传动齿轮箱，这至少在通常的工业实践中是不常见的。确切地说，对一个传动齿轮箱来说，希望为一个电机驱动装置或一个轴设置一个或多个输出端。注射螺杆的驱动要求两种完全不同的驱动装置(轴向运动和转动)。现在，结合特别有利的设计方案来说明令人吃惊的积极效果。齿条被布置成与注射螺杆转动轴线的假想延长线平行且间隔开，其中最好分别与注射螺杆的转动轴线平行且间隔地对称设置两个齿条，其齿形朝外。
有利地将转动-移动机构设计成结构紧凑的标准组件并且在一个对准注射螺杆轴线的导向管中进行引导。在第一、第二实施方式中，齿条在输出端通过牢固连接被支承到螺杆联轴节的外壳上。螺杆联轴节又在驱动侧分别具有一个推力轴承和一个向心轴承，其中该外壳通过一个、两个或多个导向带支承在导向管中。旋转驱动是通过一花键套和一花键轴进行的，它们一方面可相对移动并且另一方面与一个电机齿轮箱相连。花键轴在驱动侧支承在传动齿轮箱中并且为了所需的行程长度在一花键套内导向滑动。花键套在另一侧上通过一个套筒与螺杆联轴节牢固连接。花键套和套筒一起大致延伸在齿条可用长度范围内。花键轴对准螺杆轴轴线。为此，套筒和齿条同轴布置。注射螺杆的基本功能要求纵向移动或视要注射部分的尺寸而定的行程，在大型机器的情况下，这个行程例如为20厘米。通过两个传动机构即齿条和花键轴的相对安放，只需要最小的结构长度。第二技术方案看起来很短。齿条在背对注射螺杆的端面上通过一个连接凸缘与一导向带一起在导向管中受到引导。如果组合式传动装置在上述设计方案中可以非常紧凑地移入一根管中，则可以润滑中心并不让润滑剂从四面漏走，这在净室技术设备方面创造了理想的前提条件。最好这两个齿条被设计成双齿条的形式，它们分别有一个自己的驱动小齿轮、传动齿轮箱及驱动电机并尤其是一台或两台交流伺服电机。通过相应的大功率电子装置，给驱动电机配备了计算机或控制调节手段，以便完全平衡运动，尤其是驱动力矩。
EP427438似乎带有圆杆或顶杆使用状况的预控措施。不过，据此无法知道或阻碍了其被用于注塑侧，因为据测很难对以下情况进行预控制，即给齿条钻孔，以便穿过该杆地设置另一个驱动装置。在新解决方案的优选设计方式中，在两个齿条之间设置被驱动转动的螺杆轴。这两个齿条可以在一个大型异形件中加工而成，或者它们有意义地如此相连，即在它们之间留有用于转动传动机构的空间。
第三实施方式的特征是，一个驱动单元成双齿条传动机构和一个用于旋转运动的驱动装置的组合装置的形式。有利的是，齿条象在第一解决方案中那样成双侧带齿的四棱异形部的形式。用于旋转运动的齿轮箱体和用于轴向运动的齿轮箱体设置在一个可相对机座移动的并可被一第三轴驱动的注塑单元上，其中根据第一变型方案，用于旋转运动的齿轮箱体还可相对注塑单元移动。还有利的是，齿条超传动机构的齿条在驱动侧与用于旋转运动的齿轮箱体牢固连接并且用于轴向运动的齿轮箱体与注塑单元的底架牢固连接。
根据第三实施方式的第二变型方案，在用于旋转运动的齿轮箱体中设置一个具有可移动的花键轴和花键套的滑动支承机构。在这里，该齿轮箱体被牢固地安装在底架上。
如果用于旋转运动的齿轮箱和用于轴向运动的齿轮箱分别有一个自己的齿轮箱体并且分别形成自己的标准组件，则产生了巨大的优点，即一方面虽然需要两个独立传动齿轮箱，但另一方面根据其特殊功能而可以结构最佳地形成每个齿轮箱。就自身标准组件而言，这两个齿轮箱可以有利地廉价或经济地制成，而不回不利地影响到其功能。通过在这两种情况下同样把力完全传给注射螺杆轴，得到了理想的力传递和理想的力的作用与反作用。
在这三个实施形式中，除了用于自身相对机座移动的装置外，整个注塑单元还装载了三个组件，即固定安装的注塑筒、可与用于旋转运动的齿轮箱体一起相对移动的注射螺杆以及最好被牢固安装在注塑单元上的用于注射螺杆轴向运动的齿轮箱体。这个解决方案特别适用于包括一些次级标准结构组件的组件制造。
最好如此增建驱动电机，即其轴与注射螺杆驱动装置有关地最好向上竖起。这至少与整套注塑装置有关地允许短小且结构紧凑地构成整个机器。如众所周知地，整个注塑单元可通过导轨移动地竖立在机座上。为了使整个装置移动，最好拟订另一个驱动计划。
【附图说明】
现在，结合现有技术与一个实施例的对比说明来详细描述本发明，其中：
图1、2表示现有技术的设计方案；
图3a、3b分别是具有一台或两台用于轴向运动的驱动电机的本发明双轴驱动装置的透视图；
图4表示图3a的纵截面IV-IV；
图5a、5b表示基于齿条超传动齿轮箱的升降运动或轴向运动；
图6表示图4的纵截面VI-VI；
图7a表示分别有一个用于注射螺杆的轴向运动和转动的齿轮箱的解决方案；
图7b示意地示出了齿条传动装置；
图7c表示图7a的变型方案；
图8以局剖图表示注塑机的注塑侧；
图9a表示图9b的截面X-X；
图9b表示组合式驱动装置的图9a截面IX-IX；
图10a表示具有两台独立的驱动电机的组合式驱动装置；
图10b表示为调准而可轴向调节小齿轮的可能性。
【具体实施方式】
图1作为现有技术似乎示意地示出了一个用于注塑机注塑侧的教导例。核心部件是一个注射筒1，原材料3(在大多数情况下呈颗粒状)通过一个装料漏斗2被送入该注射筒中。一个供料螺杆或注射螺杆4位于注射筒1内，它在右侧支承在一个支承点5上。一个轴A1通过一组齿轮6产生注射螺杆的转动并且通过液压活塞7产生轴向注射运动(轴A2)，所述液压活塞可以在一液压缸8中轴向移动一段距离。所述轴向运动视在组合模中注入部分材料或相应数量的材料所需的注射量而定。注射筒1的左侧恰好以一个喷嘴10结束，通过该喷嘴，熔融塑料1被注入两个半模36、37的型腔38中。注射筒1被加热套12包围住。用尺度SpH表示可选择的注射行程，其中SptHmax意味着最大注射行程。注塑工艺技术假定是已知的。液压装置所需的“外围设备”仅用标记9表示。符号13表示压力传感器(P)，符号14表示速度传感器(VE)。活塞7通过一伺服阀或一比例阀15来控制。所需的控制脉冲由一个调节器16或一机器控制装置17发出。注射螺杆4的转动由一台驱动电机18(被称为轴A1)来操纵。轴向运动由液压活塞7或活塞杆19(轴A2)引起。这两个轴A1、A2完全彼此无关，但作为共同点，分别把动力传给注射螺杆4的联轴节20。
在涉及供料螺杆的范围内，注射筒1的基本结构对图1、2来说是一样的。图2示意地示出了一个单纯的电动解决方案的例子，其中还通过一台电机21如此使整套注射装置移动，即喷嘴10移向注塑模和离开注塑模。电机18(轴A1)驱动齿轮6′，以使供料螺杆转动，电机22驱动齿轮23、24，以使注射螺杆4做活塞运动或轴向移动。这种传动可通过一个轴25及一个滚珠螺杆26来进行。
图3a、3b以透视图示出了新解决方案的两个例子。一个双轴驱动装置30被固定在一块基板31上。整套注塑装置34可通过一个轴A3 在轨道32上移动地被如此安置在机座33上，即其喷嘴被对准设置在一块固定的载模板35上的模具36，按照图1。图3a、3b未示出的模具36和一个活动模具37一起构成了要注塑的注塑模的型腔38。除双轴驱动装置外，在图3a中还引人注意的是轴A1、A2。为轴A2设置两台电机A2.1、A2.2。A2对应于图1、2的驱动电机18。驱动电机18通过一个传动齿轮箱40并用凸缘被如此安装在齿轮箱体42上，即其输出轴对准螺杆轴线41。作为轴A2，用凸缘并也分别通过传动齿轮箱45在齿轮箱体42上装上两个同样的驱动电机43、44。这三台电机18、43、44分别有一个垂直的电机轴并由此允许有很短的结构。注射筒1通过一个壳体46与基板31相连，从而供料螺杆4能够通过可从外界自由接近的联轴节20被双轴驱动装置驱动地轴向运动和转动。作用力或反作用力主要通过基板31被阻隔住。图3b只有一台驱动电机44，它具有一个用于驱动两个齿条65的传动齿轮箱45′。该传动齿轮箱45′相应地具有两个输出轴。
作为图3a的变型方式，在图3b中，轴A1具有一个霍尔电机39，它通过凸缘被直接安装在齿轮箱体42上。
图4、5a和5b以图3a的截面图IV-IV示出了双轴驱动装置的一个例子。在图4、5a中，示出了处于一极端位置上的注射螺杆的在后位置，例如作为维修位置或停机位置，或者示出了可能最大的螺杆在后位置的一个例子，或理论上尽可能最大的注塑部的一个例子，在注塑部最大的情况下，塑料量11等于Sp H.max(图1)。图5b示出了在每个注射过程结束时或在增压阶段内的另一个极端位置。螺杆联轴节20通过一个轴环50和一个轴端部51、一个支承轴环52以及一段连接螺纹53与一个套筒54牢固拧接在一起并且在对置端上通过一个花键套55与一花键轴56和齿轮箱40相连，以便进行转动。因此，如图5a、5b所示，在供料螺杆或注射螺杆4上的力矩直接由花键套55并通过套筒54被传递给联轴节20，这与花键套55(长度I)相对花键轴的位置无关。轴端部51通过两个刚性的止推滚动轴承/向心滚动轴承57、58支承在一个轴承套59中。这两个轴承57、58的内圈通过支承圈60、60′被夹紧地保持在轴肩61、62之间，所述夹紧力由套筒54和螺纹53产生。这两个轴承57、58的外圈通过相应的轴肩63、64被如此固定在轴承套59的孔中，即轴向传力路径从注射螺杆4起直接经过强力轴承57和轴承套59被传递给齿条65。齿条65通过锁定螺丝66与轴承套59牢固连接并且通过一个固定环67和轴承57的内圈被保持在对置端上。供料螺杆的轴向运动或相应的作用力或反作用力从这两台电机43、44、传动齿轮箱45以及两个小齿轮70、70′开始地通过两个齿条65、65′、轴承套59、轴承57以及联轴节20进行传递。因而，联轴节20和轴端部51被两个轴A1、A2驱动(或A2.1、A2.2)。这两个主传动件即花键超传动机构72及齿条超传动机构71允许独立控制两种运动并且被合并在一个传动装置77中，该传动装置被安装在一个圆柱形孔73中。为了出现完全的力对称，轴A2被设计成是双重的，即具有两个可相互协调的电机、两个齿轮箱、两个小齿轮以及两个齿条。齿条如用X-X所示的那样被布置成分别平行于螺杆轴线41并与其保持一样距离。名称“双轴驱动装置”涉及用于注射螺杆的轴向运动和转动的各轴A1、A2。
图6示意地表示双轴驱动装置的一个横截面。图6清楚地示出了所有驱动装置或传动装置的对称性。整套传动装置7 7通过导向带74在孔73中受到引导(图4)并具有一个挡油环75，以阻止润滑油从齿轮箱内流出。根据图6，两个小齿轮的轴线76是垂直的，这在空间使用方面带来了优点。这两个轴线可以是相互平行的，但也可以是倾斜或水平的。当朝向螺杆轴线41地朝后留出足够的地方，则也可以轴线水平地布置一台电机18。
图7a、7b示出了另一个很有利的设计方案，它具有两个分开的传动齿轮箱，其中一个80用于注射螺杆的转动，另一个81用于注射螺杆的轴向运动。齿轮箱81是一个具有齿轮箱体82的齿条传动装置。用A2表示齿条传动装置的驱动电机的轴。两个相同的小齿轮驱动一个齿条85。该齿条形成于一个四棱异型部上并且在驱动侧借助这两个小齿轮83、84并在输出侧通过一个凸缘86被固定在齿轮箱80的壳体85上。根据图7a的例子示出了这样的解决方案，其中齿条85是齿轮箱80的一部分，它可以相应于齿条85的直线运动地通过导轨88相对基板31移动。而齿轮箱81通过螺纹89与基板31牢固连接。重要的是，这两个对旋转运动和轴向运动来说是有效的轴与注射螺杆的转动轴线41是重合的。齿条传动机构就象用于转动的齿轮箱那样被设计成完全独立的且分别带有本身的驱动电机的传动齿轮箱的形式。在相应地设计支承结构的情况下，齿条85直接通过壳体87或通过相应的驱动齿轮支承部来传递直线推进力。
在图7c中，壳体87与基板31牢固连接。注射螺杆4的移动通过一花键轴56及一个花键套55来进行，大致按照图9a或对应于图4。
图8、9a、9b、10a、10b示出了另一个用于新解决方案的特别有利的设计方式的例子。与上述解决方案相同的部件用相同的标记表示。根据图8的解决方案与图3a-图6类似地示出了一个真正的组合式驱动装置100，它由一个中央传动齿轮箱101和两个前设的且带有所属驱动电机12、18的齿轮箱40、45组成。在图8中，轴A1的靠电机驱动的驱动装置被设计成霍尔电机39的形式。它允许旋转驱动装置尽可能地结构紧凑。
图9a、9b放大示出了中央传动齿轮箱101，它具有一个齿轮箱体102。驱动轴104大致位于齿轮箱体102的中央轴线103上，它在输出侧有一联轴节20并在相反侧有一花键轴56。花键轴56通过一花键套55来驱动，该花键套通过齿轮箱40和一离合器105与驱动电机19适于驱动地相连。驱动电机18通过一电流电路或控制电路与机器控制装置相连。箱107被牢固地拧装在齿轮箱体102上。与图4、5a、5b不一样，在根据图9a、9b的解决方案中，整个花键轴可以在花键套内轴向运动。驱动轴104的轴向运动用Axv表示。通过以下部件来确保注射螺杆的轴向运动：两个双齿条110、110′分别被牢固地固定在一个齿条横梁111上。该横梁与一轴承套112连接并且通过滚动轴承57、58支承在驱动轴104上并且在轴向上被设计成结构紧凑的移动单元。驱动轴104在轴承套112内有一个更大的直径D，从而通过两个轴肩113、114和轴承57、57来传递或承受轴向力。双齿条110、110′分别配备有两个小齿轮115、116或117、118，其中小齿轮直接被电机驱动装置驱动，另三个小齿轮通过超传动齿轮119、120、121、122驱动。由于超传动齿轮119、120、121、122相互啮合，如图9b所示，所以配属于齿条110的齿轮对以及配属于齿条110′的齿轮对分别出现了相反意义上的运动。这种情况同样适用于与各齿条110或110′对置的两个小齿轮对115/116或117/118。因此，在斜齿上出现的分力也象由这两个齿条引起的力矩那样被平衡掉了。
根据图10a、10b，每个独立小齿轮115、116、117、118的各自转动轴线XZ如用箭头123所示地受到调节，以便精确调准各齿啮合。转动轴线XZ在其上部中通过一个滑动轴承124并在下面通过两个相互对准的棍子轴承125、125′被保持在一调节套筒126内。调节套筒126可以借助一段支承螺纹127并通过相应的转动(如箭头123所示)而相对齿轮箱体102进行调节。这样一来，可以精确地调准齿啮合点。
如图10a所示，驱动电机也可以被各自安装在其它方向上(上/下)。