DE102014002182A1

DE102014002182A1 - Zweiachsig auslenkbares monolithisches Festkörpergelenk

Info

Publication number: DE102014002182A1
Application number: DE102014002182.3A
Authority: DE
Inventors: Bert Wensel; Andreas Petzold
Original assignee: LASERVORM GmbH
Current assignee: LASERVORM GmbH
Priority date: 2014-02-15
Filing date: 2014-02-15
Publication date: 2015-08-20
Anticipated expiration: 2034-02-16
Also published as: DE102014002182B4

Abstract

Die Erfindung betrifft zweiachsig auslenkbare monolithische Festkörpergelenke, die sich durch ihre einfache Realisierung auszeichnen. Dazu sind die Enden von zwei Paaren aus sich gegenüberstehenden Biegekreuzfedern jeweils über erste Stege und zweite Stege miteinander verbunden. Die beabstandet zueinander angeordneten und miteinander verbundenen ersten Stege eines ersten Paares von Biegekreuzfedern sind ein erstes Verbindungselement des Festkörpergelenks. Die zweiten Stege des ersten Paares von Biegekreuzfedern sind über dritte Stege mit den ersten Stegen des zweiten Paares von Biegekreuzfedern verbunden. Darüber hinaus sind die beabstandet zueinander angeordneten und miteinander verbundenen zweiten Stege des zweites Paares von Biegekreuzfedern das zweite Verbindungselement des Festkörpergelenks. Damit ist das Festkörpergelenk eine kardanische Anordnung mit paarweise sich gegenüberstehend angeordneten Biegekreuzfedern. Das Festkörpergelenk ist damit vorteilhafterweise ein einstückig ausgebildetes Festkörpergelenk. Verbindungen verschiedener ansonsten vorhandener Bestandteile sind nicht vorhanden. Gleichzeitig entfallen durch die Verbindung hervorgerufene Toleranzen.

Description

Die Erfindung betrifft zweiachsig auslenkbare monolithische Festkörpergelenke.
Die Druckschrift DE 10 2012 012 780 A1 beinhaltet ein parallelkinematisches Spiegel-Ablenksystem mit doppelkardanischer Aufhängung bekannt. Zur Bewegung des Spiegels ist dieser an zwei Linearantriebe gekoppelt. Der Spiegel befindet sich zwischen zwei Rahmen, wobei die Rahmen und der Spiegel mit dem innliegenden Rahmen gelenkig miteinander verbunden sind. Die Gelenke sind als Drehgelenke ausgebildet, wobei Kugel- oder Wellenlager eingesetzt werden. Nachteilig sind die dabei vorhandenen Lagertoleranzen.
Durch die Druckschrift DE 10 2004 052 154 B4 ist ein Rotationslager zur hochgenau einstellbaren Winkelposition eines optischen Spiegels bekannt. Dazu besitzt das Rotationslager mehrere am Umfang verteilte und jeweils an beiden Enden Festkörpergelenke als elastisch deformierbare Verformungszonen aufweisende schräge Stützkoppeln. Die Stützkoppeln sind als speichenartige Korbstreben ausgebildet. Mittels Stellelementen kann der Spiegel gekippt und gedreht werden. Beim Kippen und Drehen werden mehrere Korbstreben gebogen. Der Platzbedarf für das Rotationslager ist durch die schräg angeordneten Korbstreben nicht unerheblich.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach zu realisierendes Festkörpergelenk zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die zweiachsig auslenkbaren monolitischen Festkörpergelenke zeichnen sich insbesondere durch ihre einfache Realisierung aus. Dazu sind die Enden von zwei Paaren aus sich gegenüberstehenden Biegekreuzfedern jeweils über erste Stege und zweite Stege miteinander verbunden. Die beabstandet zueinander angeordneten und miteinander verbundenen ersten Stege eines ersten Paares von Biegekreuzfedern sind ein erstes Verbindungselement des Festkörpergelenks. Die zweiten Stege des ersten Paares von Biegekreuzfedern sind über dritte Stege mit den ersten Stegen des zweiten Peares von Biegekreuzfedern verbunden. Darüber hinaus sind die beabstandet zueinander angeordneten und miteinander verbundenen zweiten Stege des zweites Paares von Biegekreuzfedern das zweite Verbindungselement des Festkörpergelenks. Damit ist das Festkörpergelenk eine kardanische Anordnung mit paarweise sich gegenüberstehend angeordneten Biegekreuzfedern. Das Festkörpergelenk ist damit vorteilhafterweise ein einstückig ausgebildetes Festkörpergelenk. Verbindungen verschiedener ansonsten vorhandener Bestandteile sind nicht vorhanden. Gleichzeitig entfallen durch die Verbindung hervorgerufene Toleranzen.
Das Festkörpergelenk kann aus als Werkstück durch Drahterodieren oder Fräsen (Bemerkung: das Gelenk kann auch größer sein, ist keine Einschränkung) leicht gefertigt werden, so dass ein ökonomisch günstig realisiertes Festkörpergelenk vorhanden ist. Dabei kann das Festkörpergelenk aus einem Stahl bestehen. Zur Verbindung des Festkörpergelenks weist dieses die Verbindungselemente auf, die auch Platten mit jeweils einer ebenen Oberfläche aufweisen können. Damit kann das Festkörpergelenk leicht an die unterschiedlichsten Gegenstände gekoppelt werden. Gleichzeitig sichern diese Art von Verbindungselementen möglichst große Anlageflächen, die nur durch die Größe des Festkörperelements begrenzt sind. Das Festkörpergelenk besitzt vier Biegekreuzfedern, wozu gerade Biegefedern gekreuzt angeordnet und die Diagonalen miteinander verbunden sind. Die paarweisen Biegekreuzfedern gewährleisten, abhängig vom gewählten Höhe-Breite-Verhältnis des Kreuzes, vorteilhafterweise eine geringe Drehachsenverschiebung während des Biegevorgangs.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 10 angegeben.
Die Biegekreuzfedern sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 vorteilhafterweise gleiche Biegekreuzfedern. Das Festkörpergelenk ist damit ein symmetrisch aufgebautes Festkörpergelenk.
Biegekreuzfedern sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 für ein unsymmetrisches Festkörpergelenk ungleich ausgebildet.
Die Drehachsen der Biegekreuzfedern sind vorteilhafterweise nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 durch das jeweilige Mittelteil der Biegekreuzfedern ausgebildet.
Die ersten Stege des ersten Paares von Biegekreuzfedern und die zweiten Stege des zweiten Paares von Biegekreuzfedern befinden sich nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 jeweils auf einer Platte als Verbindungskörper. Damit können die unterschiedlichsten Gegenstände an das Festkörpergelenk leicht angekoppelt und damit verbunden werden.
Die Mittelteile der sich kreuzenden Diagonalen der Biegekreuzfedern und die Verbindungsstellen zu den Platten weisen nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 zur Senkung von auftretenden Spannungen Verrundungen auf. Dabei wird insbesondere auch die Dauerschwingfestigkeit des Festkörpergelenks erhöht.
Die Verbindungselemente weisen nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 eine jeweils mittig angeordnete Öffnung auf. Damit können Verbindungsleitungen durch das Festkörpergelenk geführt werden oder elektromagnetische Strahlen das Festkörpergelenk passieren. Die Öffnungen befinden sich dazu korrespondierend zueinander mittig im Festkörpergelenk. Die elektromagnetischen Strahlen können dabei Laserstrahlen oder Strahlen für eine abbildende Optik sein.
Die ersten Stege des ersten Paares von Biegekreuzfedern oder die Platte mit diesen Stegen jeweils des Festkörpergelenks sind oder ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 mit einem Grundkörper verbunden. Auf dem Grundkörper befindet sich wenigstens ein erster Teil eines Aktors. Die zweiten Stege des zweiten Paares von Biegekreuzfedern oder die Platte mit diesen Stegen jeweils des Festkörpergelenks sind oder ist an einen Spiegel gekoppelt. Der Spiegel ist weiterhin an den zweiten Teil des Aktors gekoppelt. Damit ist mittels des Aktors der Spiegel über das Festkörpergelenk gegenüber dem Grundkörper bewegbar. Dazu kann der Spiegel direkt oder über wenigstens eine Spiegelplatte an das Festkörpergelenk gekoppelt sein. Bei einer Spiegelplatte ist diese an den zweiten Teil des Aktors gekoppelt.
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 kann der Aktor aus einem Elektromagneten und einem Anker bestehen, wobei der Grundkörper den Elektromagnet oder den Anker aufweist. Der Spiegel ist dazu an den Anker oder den Elektromagnet gekoppelt. Das stellt einen einfach realisierbaren und bekannten elektromagnetisch betriebenen Aktor dar. Günstige Ausgestaltungen sind dazu jeweils bekannte Hubmagnete oder Voice-Coil-Motoren. Diese und/oder das Festkörpergelenk können gleichzeitig einen Anschlag für den Spiegel bilden, so dass eine Überlastung des Festkörpergelenks verhindert wird.
Der Aktor kann aber auch ein bekannter Linearantrieb beispielsweise mit Piezoelementen sein. Diese ändern bekannterweise ihre Geometrie proportional einer angelegten elektrischen Spannung. Damit können auch kleinste Verstellungen/Kippungen des Spiegels realisiert werden. Es können auch andere bekannte Schrittmotoren als Aktor angewandt werden. Darüber hinaus sind auch rotatorische Antriebe mit einem Mechanismus zur Änderung der Bewegungsrichtung wie beispielsweise Schubkurbeln einsetzbar. Mit deartigen Aktoren können bestimmte Positionsänderungen des Spiegels vollzogen werden, wobei der Spiegel durch den Aktor selbst dabei auch in verschiedenen Positionen fixiert ist.
Zum Kippen des Spiegels in einer Richtung befindet sich das Festkörpergelenk nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 zwischen wenigstens zwei Aktoren. Für ein Schwenken in mehreren Richtungen ist das Festkörpergelenk zwischen wenigstens drei Aktoren angeordnet. Bevorzugt sind dazu vier Aktoren vorgesehen. Damit ist günstigerweise ein Schwenkspiegel oder ein Scanner realisiert.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 ein zweiachsig auslenkbares Festkörpergelenk in einer perspektivischen Darstellung und
2 ein Festkörpergelenk zwischen Aktoren in Verbindung mit einem Spiegel.
Ein zweiachsig auslenkbares Festkörpergelenk besteht im Wesentlichen aus zwei Paaren von Biegekreuzfedern 1, 2 mit jeweils einem Mittelteil 3, ersten Stegen 4, 6 und zweiten Stegen 5, 7 an den Enden der Biegekreuzfedern 1, 2, dritten Stegen 8 zur Verbindung erster Stege 4, 6 und zweiter Stege 5, 7 und Verbindungselementen des Festkörpergelenks.
Dazu zeigen
die 1 ein zweiachsig auslenkbares Festkörpergelenk in einer perspektivischen Darstellung und
die 2 Verformungen des Festkörpergelenks in einer prinzipiellen Darstellung.
Zwei Paare von Biegekreuzfedern 1, 2 sind so angeordnet, dass sich jeweils ein Paar von Biegekreuzfedern gegenüberstehen. Das erste Paar sind die Biegekreuzfedern 1a, 1b. Das zweite Paar sind die Biegekreuzfedern 2a, 2b. Alle Biegekreuzfedern 1, 2 sind gleichgestaltet. Die Drehachsen sind in einer Ebene angeordnet und durch die Mittelteile 3 ausgebildet. Zur Senkung von auftretenden Spannungen können die miteinander verbundenen Bestandteile Verrundungen aufweisen.
Die Enden der Biegekreuzfedern 1, 2 sind jeweils über erste Stege 4a, 4b, 6a, 6b und zweite Stege 5a, 5b, 7a, 7b miteinander verbunden. Die beabstandet zueinander angeordneten und miteinander verbundenen ersten Stege 4a, 4b eines ersten Paares von Biegekreuzfedern 1a, 1b sind ein erstes Verbindungselement des Festkörpergelenks. Diese können dazu vorteilhafterweise auf einer Platte 9 angeordnet sein. Die zweiten Stege 5a, 5b des ersten Paares von Biegekreuzfedern 1a, 1b sind über dritte Stege 8 mit den ersten Stegen 6a, 6b des zweiten Paares von Biegekreuzfedern 2a, 2b verbunden. Die ersten Stege 6a, 6b des zweiten Paares 2a, 2b sind dazu beabstandet zur Platte 9 als erstes Verbindungselement angeordnet, wobei diese ersten Stege 6a, 6b frei im Raum angeordnet sind. Die beabstandet zueinander angeordneten und miteinander verbundenen zweiten Stege 7a, 7b des zweites Paares 2a, 2b von Biegekreuzfedern sind das zweite Verbindungselement des Festkörpergelenks, welche wiederum auf einer Platte 10 angeordnet sein können. Damit ist das Festkörpergelenk eine kardanische Anordnung mit paarweise angeordneten Biegekreuzfedern 1a, 1b, 2a, 2b. Die Platten 9, 10 können Öffnungen aufweisen.
Die 2 zeigt ein Festkörpergelenk zwischen Aktoren in Verbindung mit einem Spiegel 15 in einer prinzipiellen Darstellung.
In einer Ausführungsform ist die Platte 9 mit den ersten Stegen 4a, 4b des Festkörpergelenks mit einem Grundkörper 11 verbunden. Auf dem Grundkörper 11 befinden sich Feldteile 12 als erste Bestandteile 12 von Motoren, die jeweils aus einem Permanentmagneten und einem Eisengehäuse bestehen. Die Platte mit den zweiten Stegen 7a, 7b des zweiten Paares des Festkörpergelenks 2a, 2b ist über eine Spiegelplatte 14 mit einem Spiegel 15 gekoppelt. Die Spiegelplatte 14 als Träger des Spiegels 15 weist Wicklungskörper 13 als zweite Bestandteile 13 der Motoren auf, wobei sich jeder der Wicklungskörper 13 frei in Längsrichtung eines Luftspaltes bewegen kann. Damit ist mittels der Motoren als Aktoren der Spiegel 15 über das Festkörpergelenk gegenüber dem Grundkörper 11 bewegbar. Die 2 zeigt darüber hinaus ein Gehäuseteil 16 als Bestandteil der Strahlumleitung. Anstelle derartiger Aktoren können auch bekannte Linearantriebe oder translatorische Schrittantriebe angeordnet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012012780 A1 [0002]
DE 102004052154 B4 [0003]

Claims

Zweiachsig auslenkbares monolithisches Festkörpergelenk, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden von zwei Paaren aus sich gegenüberstehenden Biegekreuzfedern (1, 2) jeweils über erste Stege (4, 6) und zweite Stege (5, 7) miteinander verbunden sind, dass die beabstandet zueinander angeordneten und miteinander verbundenen ersten Stege (4) eines ersten Paares von Biegekreuzfedern (1) ein erstes Verbindungselement des Festkörpergelenks sind, dass die zweiten Stege (5) des ersten Paares von Biegekreuzfedern (1) über dritte Stege (8) mit den ersten Stegen (6) des zweiten Paares von Biegekreuzfedern (2) verbunden sind, dass die beabstandet zueinander angeordneten und miteinander verbundenen zweiten Stege (7) des zweites Paares von Biegekreuzfedern (2) das zweite Verbindungselement des Festkörpergelenks sind, so dass das Festkörpergelenk eine kardanische Anordnung mit paarweise angeordneten Biegekreuzfedern (1, 2) ist.
Festkörpergelenk nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegekreuzfedern (1, 2) gleiche Biegekreuzfedern (1, 2) sind.
Festkörpergelenk nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Biegekreuzfedern (1, 2) für ein unsymmetrisches Festkörpergelenk ungleich sind.
Festkörpergelenk nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachsen der Biegekreuzfedern (1, 2) durch das jeweilige Mittelteil (3) der Biegekreuzfedern (1, 2) ausgebildet sind.
Festkörpergelenk nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die ersten Stege (4) des ersten Paares von Biegekreuzfedern (1) und die zweiten Stege (7) des zweiten Paares von Biegekreuzfedern (2) jeweils auf einer Platte (9, 10) als Verbindungskörper befinden.
Festkörpergelenk nach Patentanspruch 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelteile (3) der sich kreuzenden Diagonalen der Biegekreuzfedern (1, 2) und die Verbindungsstellen zu den Platten (9, 10) zur Senkung von auftretenden Spannungen Verrundungen aufweisen.
Festkörpergelenk nach Patentanspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskörper eine jeweils mittig angeordnete Öffnung aufweisen.
Festkörpergelenk nach Patentanspruch 1 oder 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Stege (4) des ersten Paares von Biegekreuzfedern (1) oder die Platte (9) mit diesen Stegen (4) jeweils des Festkörpergelenks mit einem Grundkörper (11) verbunden sind oder ist, dass sich auf dem Grundkörper (11) ein erster Teil (12) wenigstens eines Aktors befindet, dass die zweiten Stege (7) des zweiten Paares von Biegekreuzfedern (2) oder die Platte (10) mit diesen Stegen (7) jeweils des Festkörpergelenks an einen Spiegel (15) gekoppelt sind oder ist und dass an den Spiegel (15) der zweite Teil (14) des Aktors gekoppelt ist, so dass mittels des Aktors der Spiegel (15) über das Festkörpergelenk gegenüber dem Grundkörper (11) bewegbar ist.
Festkörpergelenk nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor aus einem Elektromagneten und einem Anker besteht, wobei der Grundkörper (11) den Elektromagnet oder den Anker aufweist und der Spiegel (15) an den Anker oder den Elektromagneten gekoppelt ist, oder dass der Aktor ein Linearantrieb ist.
Festkörpergelenk nach Patentanspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Festkörpergelenk zwischen wenigstens zwei Aktoren befindet.