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Gebiet der Erfindung
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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.
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Hintergrund
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Überblick über die Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Vorrichtung für ein gedoppeltes Betätigungssystem geschaffen,
das tolerant gegenüber
jedem Einzelfehler ist.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen fehiertoleranten, gedoppelten Betätigungsvorrichtung;
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2 ist
eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße fehlertolerante, gedoppelte
Betätigungsvorrichtung;
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3A eine
Seitenansicht einer erfindungsgemäßen fehiertoleranten, gedoppelten
Betätigungsvorrichtung;
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3B einen
Querschnitt längs
der Achse A-A in 3A;
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3C Querschnitt
längs der
Achse B-B in 3B und
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3D ist
eine vergrößerte Detailansicht
einer Kugelmutter.
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Detaillierte Beschreibung
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Erläuternde
Ausführungsformen
und beispielhafte Anwendungen werden nun unter Bezugnahme auf die
beigefügten
Zeichnungen beschrieben, um die vorteilhaften Lehren der Erfindung
zu offenbaren.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zusammenfassung
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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.