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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Linearführungen und betrifft insbesondere Linearführungen, bei denen ein Führungswagen mittels einer Antriebsspindel entlang einer Führungsschiene angetrieben wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Linearführungen werden eingesetzt, um auf hoch präzise und wiederholbare Weise Vorrichtungen entlang einer vorbestimmten linearen Bahn zu führen. Typischerweise umfassen diese Linearführungen eine Führungsschiene, einen Führungswagen, der entlang der Führungsschiene angetrieben bewegt wird, und eine Einrichtung zum Antreiben des Führungswagens entlang der Führungsschiene. Bei einigen Ausführungsformen kann die Einrichtung zum Antreiben des Führungswagens entlang der Führungsschiene eine Spindel sein.
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In hochpräzisen Anwendungen ist, wenn überhaupt, nur ein sehr begrenztes Spiel zwischen der Führungsschiene und dem Führungswagen vorhanden und die Spindeln sind auf sehr hohe Geradheit ausgelegt. Jedoch kann es aufgrund von Toleranzaddition zwischen den Führungsoberflächen der Führungsschiene und des Führungswagen sowie der Spindel zusätzlich zu irgendeiner Durchbiegung der Komponenten oder bearbeitungsbedingten Abweichungen zu Verklemmen oder Schwergängigkeit innerhalb der Linearführung sowie zu einem hohen oder schwankenden Laufdrehmoment kommen. Diese Variation der Kräfte innerhalb der Linearführung kann die Positionssteuerung des Führungswagens entlang der Führungsschiene beeinträchtigen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik auf dem Gebiet der Linearführungen.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es wird eine neue und verbesserte Linearführung bereitgestellt, um einige der Einschränkungen früherer Linearführungen zu überwinden. Die neue und verbesserte Linearführung umfasst eine Führungsschiene, einen Führungswagen, eine Antriebsspindel und eine Verbindungsanordnung. Die Führungsschiene definiert einen linearen Bewegungspfad. Der Führungswagen ist an der Führungsschiene entlang des linearen Bewegungspfads bewegbar montiert. Die Antriebsspindel ist wirksam an der Führungsschiene montiert. Die Verbindungsanordnung koppelt die Antriebsspindel mit dem Führungswagen, um eine rotatorische Bewegung der Antriebsspindel in eine Linearbetätigung oder lineare Einwirkung auf den Führungswagen entlang des linearen Bewegungspfads umzuwandeln. Die Verbindungsanordnung stellt einen einzigen linearen Freiheitsgrad zwischen der Antriebsspindel und dem Führungswagen in einer Richtung bereit, welche im Wesentlichen senkrecht zu dem linearen Bewegungspfad verläuft. Der einzige lineare Freiheitsgrad ermöglicht eine Relativbewegung zwischen der Spindel und dem Führungswagen, um etwas von der internen Verklemmung oder Schwergängigkeit zwischen den relativen Komponenten zu verringern.
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Bei einer Ausführungsform stellt die Verbindungsanordnung eine Schlitz-und-Aufnahme-Anordnung bereit, welche den linearen Freiheitsgrad zulässt.
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Bei einer anderen Ausführungsform weist die Schlitz-und-Aufnahme-Anordnung zusammenwirkende Antirotationselemente auf, um eine relative Rotation aufgrund von an der Antriebsspindel auftretenden Rotationsdrehmomenten und insbesondere Totgang beim Drehrichtungswechsel der Antriebsspindel zu verhindern.
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Bei einer Ausführungsform umfasst die Verbindungsanordnung eine Mutter und eine Trägeranordnung. Die Mutter wirkt über ein Gewinde mit der Antriebsspindel zusammen. Die Mutter und die Trägeranordnung weisen zusammenwirkende Antirotationselemente auf, um eine relative Rotation hierzwischen aufgrund von an der Antriebsspindel auftretenden Rotationsdrehmomenten zu verhindern.
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Bei einer Ausführungsform umfasst die Mutter einen Kopfbereich, welcher in einem Schlitz der Trägeranordnung aufgenommen ist. Das Zusammenwirken zwischen dem Kopfbereich und der Trägeranordnung verhindert eine Rotation zwischen der Mutter und der Trägeranordnung. Das Zusammenwirken zwischen dem Kopfbereich und der Trägeranordnung verhindert eine Linearbewegung hierzwischen in einer Richtung parallel zu dem Bewegungspfad.
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Bei einer Ausführungsform umfasst der Führungswagen eine Montageanordnung zum Montieren des Führungswagens an der Führungsschiene. Die Montageanordnung ist dazu ausgebildet, eine Linearbewegung des Führungswagens relativ zu der Führungsschiene in einer Ebene, die im Wesentlichen orthogonal zu dem Bewegungspfad liegt, zu verhindern.
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Bei einer Ausführungsform umfasst die Montageanordnung einen ersten und einen zweiten Kanal, welche in Armbereichen des Führungswagens ausgebildet sind. Jeder Kanal nimmt einen entsprechenden Bereich der Führungsschiene auf. Die Kanäle sind von Gleitoberflächen begrenzt, welche an entsprechenden Oberflächen der Führungsschiene gleiten. Vorzugsweise sind die Gleitoberflächen von einem reibungsarmen Material bereitgestellt.
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Bei einer Ausführungsform definiert der Schlitz oder die Nut parallele Seiten, welche sich im Wesentlichen senkrecht zu dem Bewegungspfad erstrecken. Der Kopf weist parallele Seiten auf, die sich im Wesentlichen senkrecht zu dem Bewegungspfad erstrecken und mit den parallelen Seiten des Schlitzes oder der Nut zusammenwirken.
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Bei einer Ausführungsform umfasst die Verbindungsanordnung eine erste Komponente, welche mindestens einen Schlitz oder Nut definiert, und eine zweite Komponente, welche mit dem Schlitz oder der Nut zusammenpasst. Die zweite Komponente ist innerhalb des Schlitzes oder der Nut entlang des einzigen linearen Freiheitsgrades gleitbeweglich. Bei einer Ausführungsform ist die erste Komponente ein fester Teil des Führungswagens und die zweite Komponente ist eine Mutter mit einem Kopfbereich, der innerhalb des Schlitzes oder der Nut der ersten Komponente aufgenommen ist.
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Bei einer Ausführungsform umfasst die Linearführung ferner ein Paar Endblöcke. Die Endblöcke sind an der Führungsschiene angebracht und stellen eine drehbare Lagerung für die Antriebsspindel bereit.
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Bei einer Ausführungsform umfasst die Trägeranordnung ein Paar von quer gerichteten, nach innen gewandten Oberflächen, welche einander zugewandt sind und einander gegenüberliegende Enden des Schlitzes begrenzen und sich parallel zu dem einzigen linearen Freiheitsgrad erstrecken. Der Kopfbereich der Mutter umfasst ein Paar von quer gerichteten, nach außen gewandten Oberflächen, die voneinander abgewandt sind und sich parallel zu dem einzigen linearen Freiheitsgrad erstrecken. Die nach außen gewandten Oberflächen gleiten relativ zu den nach innen gewandten Oberflächen, um den einzigen linearen Freiheitsgrad bereitzustellen. Vorzugsweise sind die nach innen und nach außen gewandten Oberflächen planar.
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Bei einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Reduzieren des Verklemmens oder der Schwergängigkeit innerhalb einer Linearführung bereitgestellt. Die Linearführung umfasst eine Führungsschiene, welche einen linearen Bewegungspfad definiert, einen an der Führungsschiene entlang des linearen Bewegungspfads bewegbar montierten Führungswagen, eine an der Führungsschiene wirksam montierte Antriebsspindel und eine Verbindungsanordnung, welche die Antriebsspindel mit dem Führungswagen koppelt, um eine rotatorische Bewegung der Antriebsspindel in eine Linearbetätigung oder lineare Einwirkung auf den Führungswagen entlang des linearen Bewegungspfads umzuwandeln. Das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines einzigen linearen Freiheitsgrads zwischen der Antriebsspindel und dem Führungswagen in einer Richtung, welche im Wesentlichen senkrecht zu dem linearen Bewegungspfad verläuft.
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Weitere Aspekte, Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die beigefügte Zeichnung, welche in die vorliegende Erläuterung eingefügt ist und Teil derselben bildet, veranschaulicht mehrere Aspekte der vorliegenden Erfindung und dient in Zusammenhang mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung einer Linearführung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Ansicht von oben;
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2 eine perspektivische Darstellung der Linearführung von 1 in einer Ansicht von unten;
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3 eine Explosionsdarstellung der Linearführung aus 1, ohne die Führungsschiene, in einer Ansicht von unten;
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4 eine perspektivische Darstellung der Linearführung aus 1, ohne die Führungsschiene, in einer Ansicht von unten;
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5 eine vergrößerte Darstellung der Verbindungsanordnung zwischen dem Führungswagen und der Antriebsspindel der Linearführung von 1;
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6 eine vergrößerte Darstellung der Unterseite des Führungswagens der Linearführung aus 1 mit dem Teil der Verbindungsanordnung, der Teil des Führungswagens ist;
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7 eine vergrößerte Darstellung der Unterseite des Führungswagens mit der Verbindungsanordnung der Linearführung aus 1; und
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8 eine Endansicht der Linearführung von 1, ausgeführt im Querschnitt entlang der Linie 8-8.
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Die Erfindung wird in Zusammenhang mit bestimmten bevorzugten Ausführungsformen beschrieben; es ist jedoch nicht beabsichtigt, die Erfindung auf diese Ausführungsformen zu beschränken. Vielmehr sollen alle Alternativen, Modifikationen und Äquivalente abgedeckt sein, die in den Bereich der Erfindung fallen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.
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DETAILBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 und 2 zeigen eine Linearführung 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Linearführung ist dazu ausgebildet, eine daran angebrachte Vorrichtung entlang einer vorbestimmten Bahn zu führen. Die Linearführung 100 umfasst einen Führungswagen 102, der an einer Führungsschiene 104 montiert ist, und eine Antriebsspindel 106, welche den Führungswagen 102 entlang der Führungsschiene 104 wirksam antreibt. Wenn die Antriebsspindel eine Rotationsbewegung um die Achse 108 ausführt, wird der Führungswagen 102 linear entlang der Führungsschiene 104 angetrieben bewegt.
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An ihren einander gegenüberliegenden Enden sind die Antriebsspindel 106 und die Führungsschiene 104 an Endblöcken 110 montiert. Die Endblöcke 110 können Lager oder Buchsen zur drehbaren Lagerung der Antriebsspindel 106 umfassen. Die Enden der Führungsschiene 104 sind in in den Endblöcken 110 ausgebildeten Nuten oder Schlitzen eingesetzt. Ferner können Schrauben oder andere Befestigungsmittel bereitgestellt sein, um die Enden der Führungsschiene 104 in den Nuten oder Schlitzen des Endblocks 110 zu sichern. Die Endblöcke 110 können Schlitze oder Öffnungen umfassen, die es einem Benutzer gestatten, die Endblöcke 110 an einer weiteren Auflagefläche zu montieren.
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Zusätzlich Bezug nehmend auf 3 und 8 definiert der Führungswagen 102 im Wesentlichen Kanäle 112, welche Laufbahnbereiche 114 der Führungsschiene 104 aufnehmen. Die Kanäle 112 sind von einem friktionsarmen Material begrenzt, beispielsweise von einem schmierenden Material, welches in der Form von FREELON vorliegen kann, bei dem es sich um ein Material auf Basis von Polytetrafluorethylen (PTFE) handelt. Die Kanäle 112 sind im Wesentlichen von drei Seitenwänden oder Oberflächen gebildet, wobei zwei der Seitenwände oder Oberflächen parallel zueinander liegen und eine dritte Seitenwand oder Oberfläche senkrecht dazwischen verläuft. Diese drei Seitenwände oder Oberflächen sind im Wesentlichen mit dem schmierenden oder selbstschmierenden Material, beispielsweise dem PTFE-Material, beschichtet oder von demselben bereitgestellt. Dieses selbstschmierende Material kann adhäsiv an den Körper des Führungswagens 102 gebunden oder auf andere Weise an diesem gehalten sein. Die drei Seitenwände oder Oberflächen, welche jeden der Kanäle 112 definieren, wirken mit einer entsprechenden Seite von drei Seiten der Laufbahnbereiche 114 zusammen.
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Zwischen den Kanälen 112 und den Laufbahnbereichen 114 besteht eine eng tolerierte Beziehung, um Spielraum hierzwischen zu verhindern und eine präzise Bewegung des Führungswagens 102 entlang der Achse 108 und der Führungsschiene 104 bereitzustellen, wenn dieser über die Antriebsspindel 106 in einer Hin- und Herbewegung entlang der Führungsschiene 104 angetrieben wird.
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Der Führungswagen 102 umfasst allgemein einen Körper 116 mit einem Paar von Armen 118, die sich von einer oberen Oberfläche 120 weg erstrecken. Die obere Oberfläche 120 ist zum Montieren weiterer Strukturen ausgebildet, welche linear entlang der Achse 108 angetrieben werden sollen. Im zusammengebauten Zustand ist die Führungsschiene 104, ebenso wie die Antriebsspindel 106, quer zwischen den Armbereichen 118 positioniert.
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Die Seiten der Laufbahnbereiche 114, welche mit den Kanälen 112 der Arme 118 des Führungswagens 102 zusammenwirken, weisen sehr hohe Toleranzeigenschaften auf, derart, dass sie sehr gerade und glatt sind. Dies ist einer verbesserten Präzision des Laufs des Führungswagens 102 entlang denselben förderlich.
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3 zeigt die Linearführung 100 in einer Ansicht von unten in Explosionsdarstellung, jedoch ohne die Führungsschiene 104. 4 zeigt die Linearführung 100 ohne die Führungsschiene 104, in einer Ansicht von unten. Die Linearführung 100 umfasst eine Verbindungsanordnung 130 zum Wirkverbinden der Antriebsspindel 106 mit dem Führungswagen 102, um eine Rotationsbewegung der Antriebsspindel 106 in eine Linearbewegung des Führungswagens 102 umzuwandeln.
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Ferner Bezug nehmend auf 5 bis 7 umfasst die Verbindungsanordnung 130 im Wesentlichen einen Trägermechanismus 132, welcher gleitbeweglich mit einer Leitspindelmutter 134 zusammenwirkt. Der Trägermechanismus 132 ist als Teil des Führungswagenkörpers 116 ausgebildet oder auf andere Weise mit dem Führungswagenkörper 116 verbunden. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Trägermechanismus 132 von einem Paar von Befestigungshaltern 136 bereitgestellt, welche an einer Unterseite des Führungswagenkörpers 116 wirksam montiert sind. Die Befestigungshalter 136 sind mittels Schrauben 138 befestigt, welche in die Unterseite des Körpers 116 eingeschraubt sind. Die Befestigungshalter 136 definieren Nuten 140, welche einander gegenüberliegend und beabstandet zueinander angeordnet sind, derart, dass ihre Öffnungen oder Mündungen einander zugewandt sind, um dadurch einen Aufnahmeschlitz zu bilden.
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Die Leitspindelmutter 134 umfasst einen Kopfbereich 142, der dazu ausgebildet ist, in den Nuten 140 der Befestigungshalter 136 aufgenommen zu werden. Die axiale Breite w1 des Kopfbereichs 142 ist im Wesentlichen gleich der axialen Breite w2 der Nuten 140, gemessen parallel zur Achse 108 der Antriebsspindel 106. Es liegt somit im Wesentlichen kein Axialspiel oder Axialspielraum zwischen den einander gegenüberliegenden axialen Endflächen 144, 146 des Kopfbereichs 142 und den einander gegenüberliegenden und einander zugewandten Oberflächen an jedem der Befestigungshalter 136 vor.
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Jede der Nuten 140 ist teilweise von einer quer gerichteten Oberfläche 152 begrenzt. Diese quer gerichteten Oberflächen 152 sind im an den Führungswagenkörper 116 montierten Zustand einander zugewandt. Vorzugsweise sind diese quer gerichteten Oberflächen 152 im Wesentlichen planare Oberflächen, welche sich im Wesentlichen senkrecht zur Achse 108 der Antriebsspindel 106 erstrecken.
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Der Kopfbereich 142 der Mutter 134 weist entsprechende quer gerichtete Oberflächen 154 auf, welche quer verlaufend und voneinander abgewandt angeordnet sind. Diese quer gerichteten Oberflächen 154 wirken mit entsprechenden, bei wirksam in Nuten 140 aufgenommenem Kopfbereich 142 einander zugewandten quer gerichteten Oberflächen 152 der Befestigungshalter 136 zusammen und liegen an diesen an. Die quer gerichteten Oberflächen 154 des Kopfbereichs 142 sind ebenfalls im Wesentlichen planar und erstrecken sich wie die quer gerichteten Oberflächen 152 senkrecht zu der oberen Oberfläche 120 des Führungswagens.
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Vorzugsweise ist der Kopfbereich so bemessen, dass er innerhalb der Nuten 140 in einer im Wesentlichen senkrecht zur Länge der Antriebsspindel 106 verlaufenden Richtung sowie senkrecht zur oberen Oberfläche 120 axial gleiten kann. Insbesondere wird der Mutter 134, wie durch den Pfeil 151 in 7 angedeutet, eine Bewegung in einer Axialrichtung gestattet, die im Wesentlichen senkrecht zu einer von der oberen oder unteren Oberfläche der Führungsschiene 104 definierten Ebene verläuft.
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Mit dieser Anordnung wird irgendeine Toleranzaddition oder Toleranzabweichung zwischen der Führungsschiene 104 und der Antriebsspindel 106 berücksichtigt. Im Sinne des vorliegenden Dokuments umfasst ”ein einziger linearer Freiheitsgrad” nicht den Rotationsfreiheitsgrad zwischen Spindel und Mutter. Insbesondere erlaubt bei Abweichungen in der Geradheit von entweder der Antriebsspindel oder der Führungsschiene der erste Freiheitsgrad, welcher durch die gleitfähige Anordnung zwischen dem Kopfbereich 142 der Mutter 134 und den Nuten 140 der Befestigungshalter 136 bereitgestellt ist, eine gewisse Entlastung von irgendwelchen Reibungskräften oder Kräften, welche zwischen der Antriebsspindel und dem Führungswagen infolge Verklemmens oder Schwergängigkeit in der Verbindung zwischen den zwei Komponenten auftreten. Insbesondere kann der Kopfbereich 142 innerhalb der Nuten 140 der Befestigungshalter 136 gleiten. Damit kann auch eine leichte Toleranzabweichung der Komponenten der Linearführung 100 kompensiert werden.
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Die Verbindungsanordnung 130 stellt ferner Antirotationselemente/-strukturen bereit. Die quer gerichteten Oberflächen 152, 154 wirken miteinander zusammen, um eine Rotation der Mutter 134 innerhalb der Nuten 140 in einer Winkelrichtung um die Achse 108 der Antriebsspindel 106 zu verhindern. Dies verhindert irgendein Torsionsspiel zwischen der Antriebsspindel 106 und dem Führungswagen 102, insbesondere bei Drehrichtungswechsel der Antriebsspindel 106 um die Achse 108, um die lineare Bewegungsrichtung des Führungswagens 102 entlang der Führungsschiene 104 zu ändern. Dadurch wird die Positionsgenauigkeit des Führungswagens 102 entlang der Achse 108 aufrechterhalten, insbesondere bei Umkehr der axialen Bewegungsrichtung.
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Wieder hilft diese Gleitgrenzfläche zwischen dem Kopfbereich 142 und den Befestigungshaltern 136 dabei, ein Verklemmen oder Schwergängigkeit zwischen der Antriebsspindel 106 und der Verbindungsanordnung 130, insbesondere der Leitspindelmutter 134 derselben, im Betrieb der Linearführung 100 zu vermindern.
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Die Mutter 134 umfasst vorzugsweise eine Mehrzahl von flexiblen Fingern 156 mit Gewinden aus einem reibungsarmen oder selbstschmierenden Material, wie beispielsweise PTFE, um die Reibung zwischen der Mutter 134 und der Antriebsspindel 106 zu vermindern. Die flexiblen Finger 156 können einstückig mit dem Kopfbereich 142 zu einem einzigen Stück Material ausgebildet sein, beispielsweise als ein einziges Formteil. Alternativ könnten die flexiblen Finger 156 als eine von dem Kopfbereich 142 getrennte Komponente ausgebildet sein.
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Bei der dargestellten Ausführungsform ist ein Kopfbereich 142 von der Mutter 134 gebildet oder bereitgestellt und Nuten sind von den Haltern 136 (oder allgemein dem Führungswagen 102) bereitgestellt; bei einer alternativen Ausführungsform könnte dies auch umgekehrt sein. Insbesondere könnte die Mutter eine oder mehrere Nuten bereitstellen, welche einen oder mehrere Zapfen oder Wandbereiche des Führungswagens 102 aufnehmen, die innerhalb der von dem Kopfbereich gebildeten Nuten gleiten, der einen einzigen linearen Freiheitsgrad bereitstellt.
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Die Verwendung von separaten Befestigungshaltern 136 erlaubt eine Anpassung der Montage der Nuten 140 an den Rest des Führungswagens 102.
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Alle hierin zitierten Referenzen, einschließlich Veröffentlichungen, Patentanmeldungen und Patente, werden hiermit durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen, und zwar in demselben Umfang, als wäre jede Referenz einzeln und spezifisch als durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen angeführt und in ihrer Gesamtheit hierin dargelegt.
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Die Verwendung des bestimmten und unbestimmten Artikels und ähnlicher Referenten im Kontext der Beschreibung der Erfindung (insbesondere im Kontext der nachfolgenden Ansprüche) ist so zu verstehen, dass sie sowohl den Singular als auch den Plural umfasst, falls hierin nicht anders angegeben oder durch den Kontext klar widerlegt. Die Begriffe ”umfassen”, ”aufweisen”, ”einschließen” und ”enthalten” sind als nicht abschließend (d. h. als ”einschließlich, aber nicht beschränkt auf”) zu verstehen, sofern nichts anderes angegeben ist. Die Angabe von Wertebereichen im vorliegenden Text soll nur als Kurzmethode dienen zur Bezugnahme auf jeden einzelnen Wert, der in den Bereich fällt, wenn hierin nichts anderes angegeben ist, wobei jeder einzelne Wert in die Schrift aufgenommen ist, als wäre er individuell hierin angeführt worden. Alle hierin beschriebenen Verfahren können in einer beliebigen geeigneten Reihenfolge durchgeführt werden, falls hierin nicht anders angegeben oder durch den Kontext klar widerlegt. Die Verwendung sämtlicher Beispiele oder beispielhafter Sprache (z. B. ”beispielsweise”) dient allein dazu, die Erfindung näher zu erläutern und soll den Bereich der Erfindung nicht begrenzen, wenn nichts anderes beansprucht ist. Keine Worte in der Schrift sind so auszulegen, dass sie ein nicht beanspruchtes Element als wesentlich für die Umsetzung der Erfindung angeben.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind hierin beschrieben, einschließlich der besten den Erfindern bekannten Ausführungsform der Erfindung. Es versteht sich, dass Variationen dieser bevorzugten Ausführungsformen für den Durchschnittsfachmann nach Lektüre der vorstehenden Beschreibung erkennbar sein werden. Die Erfinder erwarten, dass Fachleute derartige Variationen dementsprechend verwenden, und die Erfinder beabsichtigen, dass die Erfindung auch anders als speziell hierin beschrieben umgesetzt wird. Dementsprechend umfasst die vorliegende Erfindung alle Modifikationen und Äquivalente des in den beigefügten Ansprüchen angegebenen Gegenstandes in dem durch das anwendbare Recht gestatteten Umfang. Ferner umfasst die Erfindung eine beliebige Kombination der oben beschriebenen Elemente in allen möglichen Varianten derselben, falls hierin nicht anders angegeben oder durch den Kontext klar widerlegt.
