DE112005003675T5

DE112005003675T5 - Fehlertolerantes, gedoppeltes Betätigungssystem

Info

Publication number: DE112005003675T5
Application number: DE112005003675T
Authority: DE
Inventors: Reinhard Beatty; James A. Saginaw Babinski
Original assignee: Kollmorgen Corp
Current assignee: Kollmorgen Corp
Priority date: 2005-08-24
Filing date: 2005-08-24
Publication date: 2008-07-10
Also published as: WO2007024220A1

Abstract

Fehlertolerantes gedoppeltes Betätigungssystem, umfassend:
eine Betätigungsvorrichtung mit einer Kugelspindel mit Antirotationseinrichtung;
eine erste motorische Antriebsvorrichtung mit einem ersten Motor und einer zugeordneten ersten, drehbaren, mit Kugellagerkugeln versehenen Kugelmutter,
wobei die erste Kugelmutter vom ersten Motor angetrieben wird und mit der Kugelspindel in Eingriff steht;
eine zweite motorische Antriebsvorrichtung mit einem zweiten Motor und einer zugeordneten zweiten, drehbaren, mit Kugellagerkugeln versehenen Kugelmutter,
wobei die zweite Kugelmutter vom zweiten Motor angetrieben wird und mit der Kugelspindel in Eingriff steht; und
wobei die erste und die zweite Kugelmutter Innengewinde besitzen, um die Funktion auszuüben, eine Schublast über die ausgefallene erste oder zweite ausgefallene Kugelmutter zu übertragen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft im allgemeinen lineare, elektromechanische Betätigungsvorrichtungen. Insbesondere befaßt sich die vorliegende Erfindung damit, ein gedoppeltes, lineares, elektromechanisches Betätigungssystem vorzusehen, das an jeder einzelnen Stelle Fehler toleriert.
Hintergrund
Elektromechanische Betätigungsvorrichtungen (EMA) sind Vorrichtungen, die für die Bewegung einer mechanischen Vorrichtung verantwortlich sind und manchmal unter Verwendung von Rückmeldesensoren elektrisch gesteuert werden. Lineare EMAs werden in einer breiten Vielfalt industrieller, wissenschaftlicher und gewerblicher Anwendungen benutzt, wo Schub, Geschwindigkeit oder Position gesteuert werden müssen. Beispielsweise von der Anwendung betroffene Marktgebiete sind allgemeine industrielle Anwendungen, Halbleitertechnik, Verpackung, wissenschaftliche Anwendungen, Landwirtschaft, Rasen- und Pferdesport, der seemännische bzw. Wassersportbereich, Behandlung von Patienten, ergonomische Arbeitsplätze, Wohnmobile, Land- und Seefahrzeuge und Luftfahrt.
Lineare EMAs sind in gewisser Weise hydraulischen oder pneumatischen Zylindern ähnlich. Obwohl sie einige der gleichen Gestaltungsmerkmale aufweisen, die hydraulische und pneumatische Zylinder populär gemacht haben, haben lineare EMAs den Vorteil einer saubereren und einfacheren Kraftübertragung. Lineare EAMs sind dafür bekannt, eine einfache Annäherung an die Lösung starrer oder gelenkiger linearer Bewegungsprobleme zu bieten.
Im allgemeinen sind EMAs in sich geschlossene Systeme, die die Drehbewegung aus einem Motor in eine lineare Bewegung umwandeln. Betätigungsvorrichtungen werden typischerweise durch einen Elektromotor betätigt. Durch drehende Elektromotoren angetriebene lineare Betätigungssysteme benutzen im allgemeinen verschiedene Systeme zur Umwandlung einer Rotationsbewegung in eine lineare Bewegung: Kugelspindel, Walzenspindel, Gewindespindel. Riementrieb, Kettentrieb oder Zahnstange und Ritzel. Bei Spindeltriebsystemen versetzt der Motor typischerweise eine Kugelspindel, Walzenspindel oder Trapezspindel in eine Drehbewegung, die über ein Schubrohr das Drehmoment in eine Schubkraft umwandelt.
Einige lineare EMAs benutzen Kugelspindeln, um eine laufruhige, genaue und wirkungsvolle Positionierung durchzuführen. Solche Betätigungsvorrichtungen enthalten eine Kugelspindelanordnung. Typischerweise bestehen solche Kugelspindelanordnungen aus einer Kugelspindel mit einer schraubenförmigen Nut, einer Kugelmutter, auch als Außenschale bekannt, mit einer inneren Nut und einem oder mehreren Kreisläufen aus Kugeln, die jeweils zwischen der Kugelspindel und der Kugelmutter in einer geschlossenen Bahn geführt werden. Diese wälzlagerartige Gestaltung wandelt eine Drehbewegung in Schub um, wenn sich entweder die Kugelspindel oder die Kugelmutter dreht und die jeweils andere Komponente sich in linearer Richtung bewegt.
Andere Betätigungsvorrichtungen benutzen für ihre Aktion eine Gewindespindel. Die Gewindespindel benutzt typischerweise eine massive Mutter aus Kunststoff oder Bronze, die sich wie bei einer gewöhnlichen Mutter und Schraube längs der Gewindewindungen bewegt. Weil keine sich abwälzenden Elemente zwischen Gewindespindel und Mutter vorhanden sind, nutzen Gewindespindeln in typischer Weise nur 10-60% der Motorenergie für die Bewegung der Last. Die restliche Energie geht durch Reibung verloren und wird als Wärme abgeführt.
Wenn eine eine Kugelspindel enthaltende lineare EMA in Betrieb ist, können tragende Kugeln brechen und in den geschlossenen Bahnen, eingeklemmt oder gestaut werden, beispielsweise durch Schmutz oder andere Fremdkörper, welche die Kugelmutter verstopfen. Eine verstopfte Kugelmutter verhindert die Drehung der Kugelmutter und/oder der Kugelspindel und behindert deshalb eine ordnungsgemäße Funktion der Betätigungsvorrichtung. Mit anderen Worten, wenn Schmutz oder Fremdkörper oder der Bruch einer Kugel den Rücklauf der Kugeln in der Kugelmutter verstopfen, wird die Kugelmutter blockiert. Eine einzige verstopfte Kugelmutter kann die Bewegung der Last verhindern.
Zusätzlich kann, wenn die eine Kugelspindelanordnung enthaltende, Betätigungsvorrichtung eingesetzt wird, die Kugelmutter eine oder alle ihre tragenden Kugeln verlieren. Im Falle eines Verlusts von Kugeln aus der Kugelmutter (d. h. einer fehlerhaften Kugelmutter), werden die tragenden Kugeln unfähig, ihre Funktion auszuüben und die Schublast über die Kugelmutter zu übertragen, und das kuppelt effektiv den Motor von der Last ab.
Es gibt viele andere Arten von Einzelfehlern, die bei linearen EMAs auftreten können. Andere Einzelfehler, die Betätigungssystemen widerfahren können, schließen beispielsweise einen Verlust der elektrischen Funktion des Motors, eine gebrochene Kugelspindel, eine gebrochene Halterungskonstruktion oder eine fehlerhafte Kugelführung ein. Alle diese Systemfehler können die Betätigungsvorrichtung an einer korrekten Funktion hindern und deshalb die Bewegung der Last verhindern.
Was deshalb benötigt wird, ist eine Vorrichtung und ein Verfahren, die ein gedoppeltes, lineares EMA-System zur Verfügung stellen, das tolerant gegenüber jeglichem Einzelfehler und einfacher und weniger kostspielig ist, als aktuelle Anordnungen.
Überblick über die Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung für ein gedoppeltes Betätigungssystem geschaffen, das tolerant gegenüber jedem Einzelfehler ist.
Nach einem Aspekt der Erfindung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines dualen, redundanten Betätigungssystems vorgesehen, das beim Auftreten eines Einzelfehlers im Betätigungssystem ersatzweise eingesetzt wird. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, daß im Falle eines Einzelfehlers im Betätigungssystem der andere Motor und die zugehörige Kugelmutter angesteuert werden, um in Rotation versetzt zu werden und die gleiche Funktion zur Verfügung zu stellen, die das System vor dem Fehler hatte.
Diese Aspekte und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung beschrieben, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen fehiertoleranten, gedoppelten Betätigungsvorrichtung;
2 ist eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße fehlertolerante, gedoppelte Betätigungsvorrichtung;
3A eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen fehiertoleranten, gedoppelten Betätigungsvorrichtung;
3B einen Querschnitt längs der Achse A-A in 3A;
3C Querschnitt längs der Achse B-B in 3B und
3D ist eine vergrößerte Detailansicht einer Kugelmutter.
Detaillierte Beschreibung
Erläuternde Ausführungsformen und beispielhafte Anwendungen werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, um die vorteilhaften Lehren der Erfindung zu offenbaren.
Während die vorliegende Erfindung hier unter Bezugnahme auf erläuternde Ausführungsformen beschrieben wird, sollte doch verstanden werden, daß die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Wer ein durchschnittliches Fachwissen und Verständnis für die hier offenbarten Lehren besitzt, wird in deren Rahmen zusätzliche Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsformen erkennen,. sowie zusätzliche Gebiete, in denen die vorliegende Erfindung von signifikantem Nutzen sein kann.
Bei kritischen EMA-Anwendungen werden häufig gewisse Einzelfehler dadurch bewältigt, daß man EMAs entwickelt, die duale Lastwege besitzen, wo immer ein Einzelfehler eine Trennung von Last und Motor bewirken könnte. Beispielsweise sind zwei parallele Montagestrukturen anstelle einer Montagestruktur und zwei Leitspindelanordnungen statt einer Leitspindelanordnung vorgesehen.
Duale, gedoppelte Motoren sind vorgesehen, die mit der Last derart getriebemäßig verbunden sind, daß die zwei Motoren das Lastdrehmoment unter sich aufteilen. Das ermöglicht es, daß der eine Motor einen elektrischen Fehler aufweist und der verbleibende Motor die Last übernehmen kann und die Aktion normal fortsetzt. Dies wird oft als eine drehmomentsummierende Anordnung bezeichnet, weil die Motoren so angeordnet sind, daß sie die Last aufteilen.
Eine drehmomentsummierende Anordnung gedoppelter Motoren und Lastpfade kann durch Blockieren der Getriebeverbindung betriebsunfähig gemacht werden, weshalb eine alternierende Anordnung der Getriebeverbindung vorgesehen ist, die als Differentialanordnung oder geschwindigkeitssummierende Anordnung bezeichnet wird. Eine solche Anordnung gestattet es, daß ein Motor oder Getriebepfad blockiert wird und der verbleibende Motor die Last mit der Hälfte der vorhergehenden Geschwindigkeit bewegt, wovon die Bezeichnung „geschwindigkeitssummierend" abgeleitet ist.
Gleichermaßen müssen gedoppelte Kugelmuttern in einer drehzahlsummierenden Anordnung angeordnet werden, um eine einzelne blockierte Kugelmutter daran zu hindern, die Betätigungsvorrichtung funktionsuntüchtig zu machen. Ein Verfahren, dies umzusetzen, besteht darin, eine lineare EMA einzusetzen, die eine teleskopartig verschiebbare Kugelmutternanordnung aufweist. Eine solche Anordnung benutzt typischerweise eine drehzahlsummierende Anordnung von Motoren und Getrieben, um eine Kugelmutter anzutreiben. Diese Kugelmutter verursacht eine Translationsbewegung einer hohlen Kugelmutter. Am Ende dieser ersten Kugelmutter ist eine zweite, kleinere Kugelmutter angebracht, die wiederum eine zweite kleinere Kugelmutter antreibt, die dann an der Last angebracht ist. Bei dieser teleskopartig verschiebbaren Kugelmutternanordnung kann eine einzelne blockierte Kugelmutter noch Drehmoment auf die andere Kugelmutter übertragen und nicht weniger als den halben Hub zulassen, abhängig von der Position der blockierten Kugelmutter.
Der Nachteil einer solchen teleskopartig verschiebbaren Kugelmuttern Anordnung besteht darin, daß die Kugelmuttern sorgfältig ausgestaltete energieverzehrende mechanische Anschläge enthalten müssen, um die nächste Stufe zu beschleunigen, wenn die erste das Ende ihrer Bewegung erreicht. Des weiteren sind die hohlen Kugelmuttern schwer zu bearbeiten und die gesamte Anordnung besitzt eine große Anzahl von Teilen, die die Zuverlässigkeit und die Kosten negativ beeinflussen.
Die vorliegende Erfindung sieht ein gedoppeltes lineares EMA-System vor, das gegenüber jeglichem Einzelfehler tolerant ist. Beispiele verschiedener Einzelfehler, die bei einem Betätigungssystem auftreten können und die die vorliegende Erfindung toleriert, schließen, ohne darauf beschränkt zu sein, eine blockierte Kugelmutter, eine fehlerhafte Kugelmutter (d. h. einen Verlust von tragenden Kugeln aus der Kugelmutter), einen Verlust der elektrischen Funktion eines Motors im System, eine gebrochene oder beschädigte Kugelspindel, eine gebrochene oder beschädigte Montagestruktur, eine fehlerhafte Kugelführung oder ein blockiertes Rädergetriebe und/oder blockierte Lager ein.
Die Verfahrensweise, ein fehlertolerantes, gedoppeltes lineares EMA-System vorzusehen, wie es hier dargestellt wird, kann in Verbindung mit Leitspindeln und/oder Kugelspindeln benutzt werden, ohne darauf beschränkt zu sein.
Die Mehrzahl von Anwendungen bei Antrieben wandeln ein Motordrehmoment in eine lineare Schubbewegung um durch Anwendung von Kugelspindeln, aufgrund ihrer Fähigkeit, mehr als 90% des Motordrehmoments in Schub umzuwandeln. Kugelspindeln bieten eine Lösung an, wenn die Anwendung der linearen Bewegung einen hohen Wirkungsgrad und geringe Reibung, eine hohe Einsatzdauer (> 50%), lange Lebensdauer und geringen Verschleiß erfordert. In typischer Weise dreht der Motor beispielsweise durch einen Zahnriemen, ein Rädergetriebe oder über eine Direktkupplung in Reihenanordnung die Kugelspindel, welche das Drehmoment mittels der Gewindesteigung in eine Kraft umsetzt.
Bei einer Ausführungsform der vorliebenden Erfindung enthält die Kugelspindelanordnung eine Kugelspindel mit einer Rille. Die Anordnung umschließt auch zwei drehbare Kugelmuttern mit internen Rillen, wobei jede Kugelmutter mit wenigstens einem Kugelkreislauf versehen ist, der die Kugeln in den Rillen zwischen der Kugelspindel und jeder Kugelmutter in Umlauf hält. Jede Kugelmutter kann einen oder mehrere Kreisläufe von in geschlossener Bahn geführten Kugeln anwenden, die zwischen der Kugelmutter und den gewindeartigen Rillen umlaufen. Diese wälzlagerartige Konstruktion wandelt das Drehmoment in einen Schub um, wenn die Kugelmuttern) sich dreht (drehen) und die Kugelspindel sich in linearer Richtung bewegt.
Bei einer Ausführungsform schließt die Betätigungsvorrichtung zwei motorische Antriebseinheiten ein deren jede eine drehbare Kugelmutter einschließt. Jede der Kugelmuttern wird von einer Halterung getragen und jede der Kugelmuttern wird von einem Motor angetrieben. Jeder der Motoren kann die ihm zugeordnete Kugelmutter direkt, oder zur Erhöhung des Drehmoments über ein Getriebe antreiben. Eine solche Betätigungsvorrichtung kann mit beiden, simultan wirkenden Motoren angetrieben werden, oder zu einer Zeit mit einem Motor. Es ist beabsichtigt, daß unter normalen Bedingungen beide Motoren gleichzeitig betrieben werden. Diese Art einer gedoppelten Motoranordnung wird als geschwindigkeitssummierende Anordnung bezeichnet, weil der gleichzeitige Betrieb beider Motoren in typischer Weise die effektive lineare Geschwindigkeit der Betätigungsvorrichtung verdoppelt.
Jede motorische Antriebseinheit steht in Eingriff mit und ist angeschlossen durch eine einzige Kugelspindel. Die Kugelspindel verschiebt sich, wenn der Motor die Kugelmutter antreibt bzw. die Motoren die Kugelmuttern antreiben. Die Welle der Kugelspindel kann hohl sein oder nicht. Innerhalb der hohlen Kugelspindelwelle kann eine Zugstange angeordnet sein, die der Funktion dient, die Last in dem Falle zu übertragen, in dem die Kugelspindelwelle gebrochen oder beschädigt ist.
Jeder Endabschnitt der Kugelspindel weist beispielsweise eine hexagonale, polygonale keilwellenartige oder andere Querschnittsform; oder eine unrunde Form oder dergleichen auf, die geführt werden kann, um eine Drehung der Kugelspindel zu verhindern. Jede motorische Antriebseinheit trägt eine stationäre Antirotationseinrichtung, die den Endabschnitt der Kugelspindel führt und dadurch eine Drehung der Kugelspindel verhindert, jedoch eine Verschiebung gestattet.
Jeder Motor würde eine ausfallsichere Bremse besitzen, die eine Motordrehung verhindern würde, falls der Motor nicht erregt worden ist. Das gestattet der Betätigungsvorrichtung eine normale Funktion in dem Falle, in dem die elektrische Funktion eines der Motoren ausfällt oder nur der Betrieb eines einzigen Motors gewünscht wird. Kugelmuttern anwendende Betätigungsvorrichtungen schließen typischer Weise eine Bremse ein. Eine Bremsenbauart schließt eine federbetätigte Bremse ein, ist aber nicht darauf beschränkt. Die elektrisch ausgelöste federbetätigte Bremse verhindert einen rückläufigen Antrieb, wenn sich die Einheit in Ruhe befindet. Ein rückläufiger Antrieb ist das Ergebnis, wenn die Last axial auf die Kugelspindel oder Kugelmutter drückt und dadurch eine Drehbewegung erzeugt. Wenn Leistung aufgebracht wird, löst sich die Bremse und die Betätigungsvorrichtung ist frei beweglich. Wird die Leistung abge schaltet, bringt die Feder die Bremse in Eingriff und die Last wird in ihrer Position gehalten.
Zusätzlich schließt jede motorische Antriebseinheit mit zugehöriger Kugelmutter eine Vorkehrung zur Halterung an einer stationären und/oder beweglichen Konstruktion ein. Beispielsweise kann jede motorische Antriebseinheit mit zugehöriger Kugelmutter durch einen Flansch für geführte Lasten befestigt sein oder durch Zapfen oder Lagerungen für Stangenenden im Falle von Lasten, die eine Drehung erfordern. Jede motorische Antriebseinheit mit zugehöriger Kugelmutter kann an stationären und/oder beweglichen Konstruktionen durch Verwendung einer Halterung oder mehrerer Halterungen gelagert sein. Die Verwendung gedoppelter Halterungskonstruktionen, auch als Lastpfade bekannt, kann so eingesetzt werden, daß, falls die primäre Halterungskonstruktion beschädigt oder gebrochen ist, ein Lastpfad durch die Nutzung der sekundären Halterungskonstruktion aufrecht erhalten wird. Beispiele geeigneter Halterungskonstruktionen, die sowohl für den primären als auch den sekundären Lastpfad anwendbar sind, können, ohne darauf zu beschränken, Flanschbefestigungen, Zapfenlagerungen, Stangenendlager, Schäkel, Sockellagerungen, seitliche Verzapfungsbohrungen, seitliche Ansätze oder Nasen, seitliche Winkelstützen oder Stifte sein.
Es ist beabsichtigt, daß beide Motoren gemeinsam arbeiten. Es kann jedoch die Betätigungsvorrichtung mit einem einzigen in Betrieb befindlichen Motor eingesetzt werden. Eine blockierte Kugelmutter in einem Kanal verhindert die Drehung des entsprechenden Motors und der Kugelmutter. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung würde das Steuersystem der Betätigungsvorrichtung mittels verschiedener Sensoren die Blockierung einer bestimmten Kugelmutter feststellen, falls eine blockierte Kugelmutter vorhanden ist, und würde dann den Motor des ausgefallenen Kanals außer Betrieb setzen, seine Bremse in Eingriff bringen und fortfahren, die Bewegung des verbleibenden Kanals zu steuern.
Eine blockierte Kugelmutter in einem gegebenen Kanal könnte durch verschiedene Mittel festgestellt werden, abhängig von der besonderen Steuerungskonfiguration. Eine Ausführungsform würde es sein, Positionsregelschleifen um jeden der beiden Kanäle derart zu schließen, daß jede Schleife mit der Hälfte der gewünschten Verlagerung gesteuert wird, was durch einen die lineare Position rückmeldenden Meßaufnehmer, wie einen variablen Differentialübertrager einer linearen Variablen (LVDT = Linear Variable Differential Transformer), oder die Rückmeldung eines Drehmelders in Kombination mit einem die Grundposition des Linearhubs anzeigenden Signal. Jede Schleife nimmt das Rückmeldesignal des entsprechenden Kanals bezüglich der Position der Betätigungsvorrichtung auf. Gleichermaßen wird jeder Kanal mit der Hälfte des kombinierten Positionierungsbefehls für die Betätigungsvorrichtung gesteuert. Im Falle einer blockierten Kugelmutter in einem der Kanäle, wird der Positionsfehler dieses Kanals über eine zulässige Schwelle ansteigen und die Steuerung veranlassen, diesen Kanal außer Betrieb zu setzen. Um den ausgefallenen Kanal zu kompensieren, ist es für die Steuerung erforderlich, den Steuerbefehl für den verbleibenden Kanal auf den Gesamtsteuerbefehl abzüglich der Position des ausgefallenen Kanals zu setzen. Die Symmetrie dieser Anordnung erlaubt es, identisch zu funktionieren, um der befohlenen Position zu folgen, welcher der beiden Kanäle auch ausfällt. Ein anderes Beispiel eines geeigneten Sensors zur Feststellung einer blockierten Kugelmutter in einem gegebenen Kanal schließt, ohne beschränkende Absicht, Sensoren für den elektrischen Strom ein, sowie Drehmomentsensoren, Geschwindigkeitssensoren, Kraftsensoren, piezoelektrische Sensoren, und dergleichen.
Falls eine blockierte Kugelmutter die Drehung einer der Kugelmuttern verhindert, würden die Sensoren den Ausfall feststellen und das Steuersystem der Betätigungsvorrichtung veranlassen, den blockierten Motor abzuschalten und seine Bremser in Eingriff z bringen, um eine Drehung zu verhindern. Das Steuersystem der Betätigungsvorrichtung würde dann den der anderen, nicht blockierten Kugelmutter zugeordneten Motor zur Drehung veranlassen und somit die gleiche Funktion zur Verfügung stellen, die das System vor der Blockierung hatte. Dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung erlaubt es nicht nur, daß die Betätigungsvorrichtung beim Auftreten einer blockierten Kugelmutter normal funktioniert, sondern gestattet es auch, daß die Betätigungsvorrichtung normal funktioniert, wenn einer der Motoren seine elektrische Funk tion verliert, oder gestattet, falls gewünscht, den Betrieb mit nur einem einzigen Motor. Dieser Typ einer gedoppelten Motoranordnung wird als geschwindigkeitssummierende Anordnung bezeichnet, weil beim gleichzeitigen Betrieb beider Motoren typischer Weise die effektive lineare Geschwindigkeit der Betätigungsvorrichtung verdoppelt wird. Falls ein Kanal ausfällt, wird die mögliche Gesamtgeschwindigkeit der Betätigungsvorrichtung halbiert, obwohl typischer Weise die de Fähigkeit der Betätigungsvorrichtung zur Bewegung der Last die gleiche bleibt.
Ein Teil einer jeden Kugelmutter kann Gewinde einschließen, beispielssweise ein Innengewinde. Ein geeignetes Beispiel des in jeder Kugelmutter eingeschlossenen Innengewindes ist ein Trapezgewinde, ohne darauf beschränkt zu sein. Das Innengewinde steht in Eingriff mit dem Kugelgewinde der Kugelspindel, um einen Verlust der Last verhindern, falls die Kugellagerkugeln in einer der Kugelmuttern insgesamt verloren gehen. Die Innengewinde greifen nicht in das Kugelgewinde der Kugelspindel ein, wenn die Kugellagerkugeln in jeder Kugelmutter vorhanden sind. Falls die Kugellagerkugeln in einer der Kugelmuttern verloren gehen, dienen die Innengewinde der Funktion, die Schublast über die Kugelmutter zu übertragen, die ihre Kugeln verloren hat. In diesem Falle würden die Stromsensoren den Fehler durch das abnorm hohe Drehmoment (zum Strom proportional) des ausgefallenen Kanals feststellen und das Steuersystem der Betätigungsvorrichtung würde den Motor außer Betrieb setzen und zur Verhinderung einer Drehung die Bremse in Eingriff bringen. Das Steuersystem würde dann den anderen Motor veranlassen, die Last zu übernehmen.
Eine andere Vorgehensweise in Bezug auf die Gewinde besteht darin, einen schraubenförmigen Draht anzuwenden, der von der Kugelrille in einem Abschnitt der Kugelmutter aufgenommen wird. Ein solcher schraubenförmiger Draht würde der Funktion dienen, die Schublast über die Kugelmutter zu übertragen, wenn sie alle Kugellagerkugeln verloren hat.
Wie in den 1–3 gezeigt, ist eine Vorrichtung zur Bildung eines fehlertoleranten, gedoppelten Betätigungssystems im allgemeinen durch das Bezugszeichen 100 gekennzeichnet und schließt eine erste motorische Antriebseinheit 130 und eine zweite motorische Antriebseinheit 140 ein. Das fehlertolerante Betätigungssystem 100 schließt weiter eine erste Kugelmutter 101 und eine zweite Kugelmutter 102 ein. Wie in den 3B und 3D gezeigt, schließen die erste Kugelmutter 101 und die zweite Kugelmutter 102 jeweils Kugellagerkugeln 103 ein. Die erste Kugelmutter 101 wird von einem Getriebegehäuse 104 getragen. Die zweite Kugelmutter 102 wird von einem Getriebegehäuse 105 getragen. Die erste Kugelmutter 101 wird von einem ersten Motor 106 und die zweite Kugelmuter 102 von einem zweiten Motor 107 angetrieben. Die Gestaltung der Halterungen für die Motoren 106, 107 schließt eine parallele Halterungskonstruktion ein, wie sie in den 1–3 gezeigt ist, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Es kann auch in Betracht gezogen werden, die Motoren 106, 107 in Gestalt einer In-line-Motorlagerung zu montieren. Das fehlertolerante Betätigungssystem 100 schließt auch Abdeckungen 22 gegen die Umgebung ein.
Der erste Motor 106 schließt eine erste ausfallsichere Bremse 108 ein und der zweite Motor 107 eine zweite ausfallsichere Bremse 109. Die ausfallsicheren Bremsen 108 und 109 verhindern eine Motordrehung, wenn die Motoren 106 bzw. 107 nicht erregt werden. Das gestattet es dem fehlertoleranten Betätigungssystem 100 zuverlässig zu funktionieren, falls die elektrische Funktion entweder des Motors 106 oder des Motors 107 ausfällt, oder falls nur die Aktion eines Motors gewünscht wird.
Der erste Motor 106 mit der Kugelmutter 101 und der zweite Motor 107 mit der Kugelmutter 102 stehen in Eingriff mit und werden verbunden durch eine einzige Kugelspindel 110. Die Kugelspindel 110 verschiebt sich, wenn entweder der erste Motor 106 die Kugelmutter 101 oder der zweite Motor 107 die Kugelmutter 102 in Drehung versetzt, oder wenn beide Motoren 106, 107 gleichzeitig beide Kugelmuttern 101 und 102 in Drehung versetzen. Die Welle der Kugelspindel 110 kann hohl sein oder nicht. Eine Zugstange 310 kann eingeschlossen sein, ist aber innerhalb der Kugelspindel 100 nicht so beschränkt, um die Funktion zu erfüllen, die Last in dem Falle zu übernehmen, in dem die Welle der Kugelspindel 110 bricht oder beschädigt ist.
Das fehlertolerante Betätigungssystem 100 kann mit beiden gleichzeitig aktiven Motoren 106 und 107 betrieben werden, oder mit dem ersten Motor 106 oder dem zweiten Motor 107, der jeweils allein aktiv ist. Diese Bauform einer gedoppelten Motoranordnung wird als geschwindigkeitssummierend bezeichnet, weil der gleichzeitige Betrieb beider Motoren in typischer Weise die effektive lineare Geschwindigkeit der Betätigungsvorrichtung verdoppelt.
Eine blockierte Kugelmutter 101 oder 102 würde eine Drehung der blockierten Kugelmutter 101 oder 102 verhindern. Falls entweder die Kugelmutter 101 oder 102 blockiert oder gesperrt worden ist, würde das Steuersystem der Betätigungsvorrichtung oder die Steuerung 300 mittels der Sensoren 302, 304 die Blockierung der blockierten Kugelmutter 101 oder 102 feststellen. Die Sensoren können, wie vorstehend beschrieben, von jeder Bauart sein. Das Steuersystem kann jedes dem Fachmann für die hier beschriebenen Zwecke bekannte Steuersystem sein. Die Sensoren 302, 304 können, abhängig von der Ausführungsform, mit dem Steuersystem durch Leitungen 306, 308 verbunden sein, die auch die Verbindung zu den Motoren 106, 108 und Bremsen 108, 109 herstellen. Das Steuersystem würde dann den Motor 106 oder 107 des ausgefallenen Kanals außer Betrieb setzen, seine Bremse 108 oder 109 in Eingriff bringen und fortfahren, die Bewegung des verbleibenden Kanals gleich dem Positionsbefehl der gesamten Betätigungsvorrichtung abzüglich der Position des ausgefallene Kanals zu steuern. Deshalb würde in dem Falle, in dem entweder die Kugelmutter 101 oder 102 blockiert worden ist, der andere, der unblockierten Kugelmutter (entweder 101 oder 102) entsprechende Motor (entweder 106 oder 107) angesteuert, um zu rotieren, wodurch das fehlertolerante gedoppelte Betätigungssystem 100 die gleiche Funktion zur Verfügung stellt, die das System vor der Blockierung hatte.
Jeder Endabschnitt der Kugelspindel 110 besitzt einen sechseckigen oder vieleckigen Querschnitt, einen Querschnitt mit Keilprofil oder eine andere Querschnittsform, oder eine andere unrunde Form oder dergleichen, und kann geführt werden, um eine Drehung der Kugelspindel 110 zu verhindern. Wie in den 1–3 gezeigt, trägt jede motorische Antriebseinheit 130 und 140 eine stationäre Antirotationseinrichtung 116, die jeden Endabschnitt der Kugelspindel 110 führt und damit die Drehung der Kugelspindel 110 verhindert, aber seine Verschiebung gestattet.
Die erste motorische Antriebseinheit 130 schließt eine Halterung 114 zur Befestigung an stationären oder beweglichen Strukturen ein. Die zweite motorische Antriebseinheit 140 schließt eine Halterung 115 zur Befestigung an stationären oder beweglichen Strukturen ein. Beispiele geeigneter Halterungen 114 und 115 schließen eine Flanschhalterung oder einen Lagerfuß für geführte Lasten, oder Halterungen in Form von Zapfen, Schäkeln oder Gelenkköpfen für eine Rotation erforderliche Lasten ein. Jede motorische Antriebseinheit 130, 140 mit zugehöriger Kugelmutter 101 oder 102 kann an einer stationären und/oder sich bewegenden Struktur unter Verwendung einer oder mehrerer Halterungskonstruktionen befestigt werden. Der Gebrauch gedoppelter Halterungen 114, 115, auch als Lastpfade bekannt, kann so eingesetzt werden, daß, falls die primäre Halterung 114, 115 beschädigt oder zerstört wird, der Lastpfad durch den Gebrauch der sekundären Halterungskonstruktion 312, 314 kompensiert wird. Sekundäre Halterungen müssen abhängig von der Ausführungsform nicht notwendigerweise einbezogen werden, haben jedoch, wie hier beschrieben, Vorteile.
Wie in 3D gezeigt, schließt ein Teil jeder Kugelmutter 101 und 102 Gewinde 120 ein. Geeignete Beispiele von in jeder Kugelmutter vorgesehenen Gewinden sind Trapezgewinde oder ein schraubenförmiger Draht oder dergleichen. Die Gewinde bei diesem Ausführungsbeispiel sind Muttergewinde und stehen mit dem Kugelgewinde der Kugelspindel 110 in Eingriff, falls in einer der Kugelmuttern 101 oder 102 keine Kugellagerkugeln 103 vorhanden sind (d. h. eine ausgefallene Kugelmutter). Die Innengewinde 120 greifen nicht in die Kugelgewinde der Kugelspindel 110 ein, wenn die Kugellagerkugeln 103 in der Kugelmutter 101 oder 102 vorhanden sind.
Falls die Kugellagerkugeln 103 in einer der Kugelmuttern 101 oder 102 verloren gehen, übernehmen die Muttergewinde 120 die Funktion, die Schublast über die Kugelmutter 101 oder 102, die ihre Kugeln 103 verloren hat, zu übertragen. In einem solchen Falle würden die Sensoren den Ausfall feststellen und das Steuersystem der Betä tigungsvorrichtung würde den Motor 106 oder 107 mit der ausgefallenen Kugelmutter 101 oder 102 außer Betrieb setzen und die Bremse 108 oder 109 in Eingriff bringen, um eine Drehung zu verhindern. Das Steuersystem 300 würde dann den gegenüberliegenden Motor 106 oder 107 zur Übertragung der Last einsetzen und dadurch das fehlertolerante, gedoppelte Betätigungssystem 100 zur gleichen Funktion veranlassen, die es vor dem Ausfall der Kugelmutter hatte.
Es sollte verstanden werden, daß die obige Beschreibung nur repräsentativ für erläuternde Ausführungsbeispiele ist. Zur Bequemlichkeit des Lesers wurde bei der obigen Beschreibung das Augenmerk auf ein repräsentatives Beispiel aller möglichen Ausführungsformen gelenkt, ein Beispiel, das die Grundzüge der Erfindung vermittelt. Andere Ausführungsformen können sich aus einer unterschiedlichen Kombination von Teilen unterschiedlicher Ausführungsformen ergeben. Die Beschreibung hat nicht versucht, erschöpfend alle möglichen Ausführungsformen aufzuzählen.
Da sich dem Fachmann leicht zahlreiche Modifikationen und Veränderungen erschließen werden, ist es des weiteren nicht erwünscht, daß die vorliegende Erfindung auf genau die dargestellte Konstruktion und Funktion beschränkt wird. Demgemäß ist beabsichtigt, daß alle anwendbaren Modifikationen und Äquivalente in den Schutzbereich der Ansprüche fallen.
Zusammenfassung
Die beschriebene Vorrichtung sieht ein gedoppeltes Betätigungssystem vor, das tolerant gegenüber einzelnen Fehlern ist. Falls im Betätigungssystem ein einzelner Fehler auftritt, können der andere Motor und die zugeordnete Kugelmutter angesteuert werden, um zu rotieren und damit die gleiche Funktion auszuführen, die das System vor dem Fehler hatte.

Claims

Fehlertolerantes gedoppeltes Betätigungssystem, umfassend: eine Betätigungsvorrichtung mit einer Kugelspindel mit Antirotationseinrichtung; eine erste motorische Antriebsvorrichtung mit einem ersten Motor und einer zugeordneten ersten, drehbaren, mit Kugellagerkugeln versehenen Kugelmutter, wobei die erste Kugelmutter vom ersten Motor angetrieben wird und mit der Kugelspindel in Eingriff steht; eine zweite motorische Antriebsvorrichtung mit einem zweiten Motor und einer zugeordneten zweiten, drehbaren, mit Kugellagerkugeln versehenen Kugelmutter, wobei die zweite Kugelmutter vom zweiten Motor angetrieben wird und mit der Kugelspindel in Eingriff steht; und wobei die erste und die zweite Kugelmutter Innengewinde besitzen, um die Funktion auszuüben, eine Schublast über die ausgefallene erste oder zweite ausgefallene Kugelmutter zu übertragen.
System nach Anspruch 1, weiter umfassend eine stationäre Antirotationseinrichtung jeder motorischen Antriebsvorrichtung, um jede Antirotationseinrichtung der Kugelspinde zu führen und damit eine Drehung der Kugelspindel zu verhindern, aber der Kugelspindel eine Translationsbewegung zu gestatten.
System nach Anspruch 1, bei welchem jede Antirotationseinrichtung der Kugelspindel eine polygonale, keilwellenartige oder unrunde Form aufweist.
System nach Anspruch 1, weiter umfassend ein Steuersystem und Sensoren.
System nach Anspruch 4, bei welchem die Sensoren für den elektrischen Strom sind.
System nach Anspruch 1, bei welchem sich die Kugelspindel gegenüber dem ersten Motor verschiebt, wenn der erste Motor die erste Kugelmutter dreht.
System nach Anspruch 1, bei welchem sich die Kugelspindel gegenüber dem zweiten Motor verschiebt, wenn der zweite Motor die zweite Kugelmutter dreht.
System nach Anspruch 1, bei welchem sich die Kugelspindel gegenüber dem ersten Motor verschiebt, wenn der erste Motor die erste Kugelmutter dreht und bei welchem sich die Kugelspindel gegenüber dem zweiten Motor verschiebt, wenn der zweite Motor die zweite Kugelmutter dreht.
System nach Anspruch 1, bei welchem jeder Motor weiter eine Bremse einschließt, um eine Drehung der ausgefallenen motorischen Antriebsvorrichtung zu verhindern und der anderen motorischen Antriebsvorrichtung zu gestatten, die Last zu übertragen.
System (100) nach Anspruch 1, bei welchem die Innengewinde der ersten und der zweiten Kugelmutter Trapezgewinde oder ein schraubenförmiger Draht sind.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Innengewinde oder der schraubenförmige Draht mit dem Kugelgewinde der Kugelspindel in Eingriff gelangen, wenn in der ersten Kugelmutter die Kugelklagerkugeln nicht vorhanden sind, um die Schublast über die erste Kugelmutter zu übertragen, und bei welchem die Innengewinde oder der schraubenförmige Draht mit dem Kugelgewinde der Kugelspindel nicht in Eingriff gelangen, wenn in der ersten Kugelmutter die Kugelklagerkugeln vorhanden sind.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Innengewinde oder der schraubenförmige Draht mit dem Kugelgewinde der Kugelspindel in Eingriff gelangen, wenn in der zweiten Kugelmutter die Kugelklagerkugeln nicht vorhanden sind, um die Schublast über die zweite Kugelmutter zu übertragen, und bei welchem die Innengewinde oder der schraubenförmige Draht mit dem Kugelgewinde der Kugelspindel nicht in Eingriff gelangen, wenn in der zweiten Kugelmutter die Kugelklagerkugeln vorhanden sind.
System nach Anspruch 1, weiter umfassend eine mit wenigstens einer motorischen Antriebsvorrichtung zusammenwirkenden primären Halterungsstruktur.
System nach Anspruch 1, bei welcher die Betätigungsvorrichtung sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten Motor betrieben wird, die simultan betrieben werden.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Betätigungsvorrichtung allein mit dem ersten Motor betrieben wird.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Betätigungsvorrichtung allein mit dem zweiten Motor betrieben wird.
System nach Anspruch 1, bei welchem der erste Motor weiter wenigstens einen Halterungs-Lastpfad umfaßt und der zweite Motor weiter wenigstens einen Halterungslastpfad umfaßt.
System nach Anspruch 1, bei welchem die erste Kugelmutter durch einen ersten Motor angetrieben wird. der ein Getriebe zur Erhöhung des Drehmoments besitzt und die erste Kugelmutter durch einen ersten Motor angetrieben wird, der ein Getriebe zur Erhöhung des Drehmoments besitzt.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Kugelspindel weiter einen Hohlraum definiert, und die hohle Kugelspinde weiter eine in ihrem Inneren angeordnete Zugstange umfaßt, um der Funktion zu dienen, die Last zu übertragen, falls die Kugelspindel gebrochen oder beschädigt ist.
Fehlertolerantes, gedoppeltes Betätigungssystem, umfassend: eine Betätigungsvorrichtung, die ein System zur Bewegungsumwandlung von rotierend nach linear mit Antirotationseinrichtungen besitzt; eine erste motorische Antriebsvorrichtung mit einem ersten Motor und einer ersten, Kugellagerkugeln enthaltenden drehbaren Mutter, wobei die erste Mutter durch den ersten Motor angetrieben wird, der mit dem System zur Bewegungsumwandlung von rotierend nach linear in Eingriff steht; eine zweite motorische Antriebsvorrichtung mit einem zweiten Motor und einer zweiten, Kugellagerkugeln enthaltenden drehbaren Mutter, wobei die zweite Mutter durch den zweiten Motor angetrieben wird, der mit dem System zur Bewegungsumwandlung von rotierend nach linear in Eingriff steht; und wobei die erste und die zweite Mutter Gewinde aufweisen, um der Funktion zu dienen, eine Schublast über die ausgefallene erste oder zweite Mutter zu übertragen.
System nach Anspruch 20, bei welchem das System zur Bewegungsumwandlung von rotierend nach linear eine Leitspindel ist und die erste und die zweite Mutter eine Führungsmutter sind.
Fehlertolerantes, gedoppeltes Betätigungssystem umfassend: eine Betätigungsvorrichtung, die ein System zur Bewegungsumwandlung von rotierend nach linear mit Antirotationseinrichtungen besitzt; eine erste motorische Antriebsvorrichtung mit einem ersten Motor und einer entsprechenden drehbaren, ersten, Kugellagerkugeln besitzenden Mutter, wobei die erste Mutter vom ersten Motor angetrieben wird und mit dem System zur Bewegungsumwandlung von rotierend nach linear in Eingriff steht; eine zweite motorische Antriebsvorrichtung mit einem zweiten Motor und einer entsprechenden drehbaren, zweiten, Kugellagerkugeln besitzenden Mutter, wobei die zweite Mutter vom zweiten Motor angetrieben wird und mit dem System zur Bewegungsumwandlung von rotierend nach linear in Eingriff steht; eine primäre Halterungskonstruktion und eine für den Fall einer Beschädigung oder eines Bruchs der primären Halterungskonstruktion mit jeder motorischen Antriebsvorrichtung zusammenwirkende sekundäre Halterungskonstruktion, wobei ein Lastpfad durch den Gebrauch der sekundären Halterungskonstruktion aufrecht erhalten wird, und wobei die erste und die zweite Mutter Gewinde besitzen, um der Funktion zu dienen, eine Schublast über die ausgefallene erste oder zweite Mutter zu übertragen.