DE19721804C2 - Vorrichtung zur Bewegungsumwandlung - Google Patents

Description

Vorrichtung zur Bewegungsumwandlung für kleine Lasten, bei der stoßartige Kräfte, die auf eine in ein Innengewinde eingeschraubte Gewindespindel einwirken, eine langsame Linearbewegung der Gewindespindel erzeugen.

Es sind eine Vielzahl von Vorrichtungen nach dem Spindel-Spindelmutter-Prinzip bekannt, mit denen eine rotierende oder hin- und hergehende Bewegung in eine lineare Bewegung einer Ge­ windespindel oder Mutter umgewandelt wird. Sollen derartige Vorrichtungen zur Erzeugung feinfühliger translatorischer Bewegungen verwendet werden, wie dies z. B. für eine genaue Posi­ tionierung von Objekten erforderlich ist, so stößt jedoch der Einsatz von Elektromotoren her­ kömmlicher Bauart auf fertigungstechnische Grenzen.

Man hat versucht, diese Nachteile mittels sogenannter Wälzmotore zu vermeiden (z. B. DD 2 71 987, DD 2 45 090). Ein derartiger Wälzmotor besteht prinzipiell aus einem Körper mit In­ nengewinde, der funktionell mit dem Stator eines Elektromotors vergleichbar ist und mit einem elektromagnetischen Erregersystem mit mehreren Polen versehen ist. Dieser Körper mit Innenge­ winde umgibt mindestens teilweise eine mit Spiel angeordnete Gewindespindel, die aus magne­ tisch leitendem Material besteht, ein Außengewinde aufweist und als Rotor wirkt.

Das elektromagnetische Erregersystem zieht die Gewindespindel an den Körper mit Innengewin­ de. Durch Änderung des Magnetflusses der Pole des Erregersystems wird der Umfang der Ge­ windespindel auf dem Innengewinde abgewälzt, wobei ein linearer Vorschub der Spindel entsteht. Mit diesem Bauprinzip wird quasi ein Schraubentrieb in einen konventionellen Elektromotor inte­ griert. Prinzipbedingt kann jedoch dadurch der Gesamtaufwand für das elektromagnetische Erre­ gersystem und die Ansteuerung des elektromagnetischen Erregersystems im Vergleich zu einem konventionellen Motor nur unwesentlich reduziert werden.

Eine andere Konzeption zur Erzeugung feinfühliger translatorischer Bewegungen geht von der Umwandlung piezoelektrisch erzeugter Längs- oder Biegeschwingungen in Drehbewegungen aus (z. B. US 5068565). Um die gewünschte Drehbewegung zu erzeugen, ist eine größere Anzahl von Schwingern erforderlich. Die so erzeugte Drehbewegung könnte mittels Schraubgetriebe in eine lineare Vorschubbewegung im Millimeterbereich umgewandelt werden. Entsprechende Mecha­ nismen sind jedoch nur sehr aufwendig zu fertigen und erfordern zudem ein kompliziertes Ansteu­ ersystem. Von daher besteht ein Bedarf an einer einfachen Vorrichtung, mit der mechanische Schwingungen relativ kleiner Amplitude unter Verwendung einer Gewindespindel in eine lineare Bewegung umgewandelt werden, ohne daß aufwendige Getriebekonstruktionen erforderlich sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für kleine Lasten eine Vorrichtung zur Bewe­ gungsumwandlung zu schaffen, mit der eine schwingende Bewegung eines Körpers ohne Zwi­ schenschaltung weiterer Getriebeelemente in eine langsame Linearbewegung der Gewindespindel umgewandelt wird. Die zu schaffende Vorrichtung soll insbesondere für Positionierungen im Mil­ limeterbereich geeignet sein und sich durch einen einfachen Aufbau, ein einfaches Ansteuersystem sowie geringe Fertigungskosten auszeichnen.

Entsprechend einer engeren Fassung der Aufgabenstellung soll einer Gewindespindel in einem Spindel-Spindelmutter-System unter dem Einfluß wiederholt stoßweise auf sie einwirkender Kräfte eine Drehbewegung und damit ein Spindelvorschub aufgeprägt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß dem Kennzeichen des Hauptanspruchs gelöst.

Das Grundprinzip der Erfindung besteht in folgendem.

Auf eine Gewindespindel, die in einem Innengewinde mit gleicher Gewindesteigung und einer Differenz zwischen den Gewinde-Nenndurchmessern von Gewindespindel und Innengewinde ein­ geschraubt und in einem axial fluchtend zum Innengewinde angeordneten Führungselement ge­ führt ist, werden zeitlich aufeinanderfolgende Stöße ausgeübt.

Werden auf die Gewindespindel in ihrem Endbereich, der dem Führungselement abgewandt ist, zeitlich aufeinanderfolgende, im wesentlichen radial gerichtete Stöße ausgeübt, so führt dieses Anstoßen der Gewindespindel zu einer Drehung der Gewindespindel um ihre Achse und folglich zu einer Linearbewegung in Richtung der Achse. Die Stöße werden bevorzugt mittels eines Stoß­ körpers erzeugt, der mit vorbestimmter Frequenz periodisch schwingt und während eines Teils seiner Schwingung an die Gewindespindel anschlägt. Die Impuls-Richtung darf nicht mit der Schwerkraftrichtung zusammenfallen. In diesem Sonderfall würde - eine ideale Geometrie der Gewindespindel und der beteiligten Gewinde vorausgesetzt - keine seitliche Auslenkung der Ge­ windespindel erzeugt werden. Diese seitliche Auslenkung der Gewindespindel ist jedoch für das Entstehen einer Abrollbewegung der Gewindespindel in dem Innengewinde notwendig, da gerade diese Abrollbewegung die gewünschte Linearbewegung der Gewindespindel erzeugt.

Die Drehrichtung und damit die Vorschubrichtung der Gewindespindel hängt von der Lage der Stoßstelle relativ zu derjenigen Ebene ab, die von der Spindelachse und der Schwerkraftrichtung aufgespannt wird. Dies ergibt sich aus einer Analyse der an den Gewindeflanken angreifenden Drehmomente. Eine rechtsgängige Gewindespindel, die sich beim Drehen im Uhrzeigersinn vom Beobachter entfernt, der auf sie in Achsrichtung blickt, dreht sich im Uhrzeigersinn, wenn die Stoßstelle vom Beobachter aus gesehen links von der vorgenannten Ebene liegt.

Der Vorschubweg der Spindel pro Impuls hängt von der Gewindesteigung und der Differenz zwi­ schen den Gewinde-Nenndurchmessern von Gewindespindel und Innengewinde ab. Die Durch­ messerdifferenz wird nach unten begrenzt durch einen Wert < 0 und nach oben durch die Gewin­ degeometrie (Gewindetragtiefe). Die Differenz wird anwendungsbedingt nach dem pro Impuls zu vollziehenden Vorschubweg der Spindel festgelegt.

Es versteht sich von selbst, daß die Stoßfrequenz des Stoßkörpers und damit die Zeitdauer zwi­ schen zwei Stößen auf die Zeitdauer abgestimmt ist, die die Gewindespindel für eine Pendelbewe­ gung benötigt. Insbesondere soll Gegenphasigkeit von Stoßkörper und Gewindespindel unmittel­ bar vor dem Kontakt dieser beiden Körper vermieden werden.

Das Innengewinde kann in verschiedenen technischen Ausführungsformen realisiert sein, z. B. auch als entsprechend ausgerichtete und drehfest angeordnete Spindelmutter.

Die erfindungsgemäße Lösung weist folgende Vorteile auf:

• - effektive Umsetzung einer schwingenden Bewegung, z. B. der schwingenden Bewegung eines Piezoaktors, in eine Dreh- und eine gewünschte langsame lineare Bewegung einer Gewinde­ spindel,
• - einfacher und robuster Aufbau der Vorrichtung bis zu kleinen Abmessungen bei einem gerin­ gen Aufwand für das Ansteuersystem des Stoßkörper-Antriebs und die Abstimmung des An­ steuersystems,
• - kostengünstige Realisierbarkeit einer Positionierung im Millimeterbereich mit Selbsthemmung des Antriebssystems.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere zur Verschiebung feingerätetechnischer Baugruppen zur feinen Positionierung mit Selbsthemmung bei Stillstand eingesetzt werden. Ein spezielles Einsatzgebiet sind auch Stellantriebe für Drosseln und Ventile.

Verschiedene vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist bei horizontaler Ausrichtung der Achse des Innengewindes der Winkel des angetriebenen Stoßkörpers von einer Horizontale­ bene zwecks Änderung des Vorschubweges der Gewindespindel pro Impuls zwischen 0° und < ± 90° änderbar.

Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der Antrieb des Stoßkörper oder seine Aufladung mit einem Bewegungsimpuls mittels eines an ihn mittelbar oder unmittelbar an­ gekoppelbaren, mit kleiner Amplitude schwingenden Systems erfolgen. Diese Variante ist beson­ ders vorteilhaft, um z. B. mittels Piezoaktoren oder magnetostriktiven Schwingern mit kleinen Amplituden eine langsame Verstellbewegung im Millimeterbereich zu realisieren.

Die Erfindung soll einschließlich ihrer Funktionsweise nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung in der Seitenansicht,

Fig. 2: eine schematische Darstellung einer Variante zum Antrieb der Stoßkörper.

Die Ansteuerung der Stoßkörper und die elektrische Verdrahtung sind in den Fig. 1 und 2 nicht im Detail dargestellt.

Gemäß Fig. 1 befindet sich die Gewindespindel 1 in einer Spindelmutter 2a und einem Führung­ selement 2b. Gewindespindel- und Spindelmuttergewinde besitzen erfindungsgemäß die gleiche Gewindesteigung und eine abgestimmte Differenz zwischen den Gewinde-Nenndurchmessern der Gewindespindel 1 und der Spindelmutter 2a. Die Spindelmutter 2a und das Führungselement 2b sind drehfest und fluchtend in einem Gehäuse 3 angeordnet, das auf einer Grundplatte 4 befestigt ist. Auf Grund der Durchmesserdifferenz und einer stoßartigen Anregung der Gewindespindel 1 erfolgt erfindungsgemäß eine Drehbewegung der Gewindespindel 1 um die Spindelachse, verbun­ den mit einer Linearbewegung der Spindel 1 in Achsrichtung.

Zur Bewegung der Gewindespindel 1 dienen erfindungsgemäß zwei getrennt wirkende, unabhän­ gig voneinander angesteuerte, auf entgegengesetzten Seiten der Gewindespindel 1 nach Fig. 2 angeordnete und an der Gewindespindel 1 genau positionierte Stoßkörper 5c und 5d. Die Stoß­ körper 5c und 5d greifen erfindungsgemäß direkt ohne weitere kraft- und bewegungsübertragende Zwischenbauteile an der Gewindespindel 1 an. Erfindungsgemäß bewirkt jeder der zwei Stoßkör­ per 5c und 5d eine Dreh- und eine Linearbewegung der in der Spindelmutter 2a eingeschraubten Gewindespindel 1.

Die Stoßkörper 5c und 5d sind an piezoelektrischen Schwingern 5a und 5b (in Fig. 2 als piezo­ elektrische Biegeelemente dargestellt) angeordnet und werden getrennt angeregt. Auf Grund der Kräfteverhältnisse in der Spindel-Spindelmutter-Paarung bewirkt der Stoßkörper 5c bei einer rechtsgängigen Spindel nach Fig. 2 eine Spindeldrehung im Uhrzeigersinn, nach Fig. 2 bewegt sich die Spindel in die Bildebene hinein. Bei Anregung der Spindel durch den Stoßkörper 5d erfolgt eine Spindeldrehung entgegen dem Uhrzeigersinn, nach Fig. 2 aus der Bildebene heraus. Mittels einer Spannungsversorgungs- und Ansteuereinheit 8 wird der jeweils erforderliche Stoßkörper zu Schwingungen mit einer Frequenz und Amplitude angeregt.

Die piezoelektrischen Schwinger 5a und 5b sind mit elektrisch nichtleitenden Halterungen 6a und 6b an Winkelträgern 7a und 7b befestigt. Die Winkelträger 7a und 7b sind auf der Grundplatte 4 radial zur Gewindespindel 1 einstellbar, um ein genaues Positionieren der Stoßkörper 5c und 5d an die Gewindespindel 1 und eine verlustfreie Impulsübertragung an die Gewindespindel 1 zu ge­ währleisten.

Claims (17)

1. Vorrichtung zur Bewegungsumwandlung für kleine Lasten, bei der stoßartige Kräfte, die auf eine in ein Innengewinde eingeschraubte Gewindespindel einwirken, eine langsame Linearbe­ wegung der Gewindespindel erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. die Gewindespindel (1) in ein drehfestes Innengewinde (2a) eingeschraubt und in einem Führungselement (2b) geführt ist, wobei die Gewindesteigungen gleich sind, die Gewinde- Nenndurchmesser von Gewindespindel und Innengewinde eine Differenz aufweisen und das Führungselement vom Innengewinde (2a) beabstandet sowie zu diesem axial fluchtend an­ geordnet ist,
• 2. zur Impuls-Übertragung auf die Gewindespindel (1) unabhängig voneinander antreibbare Stoßkörper (5c; 5d) vorgesehen sind, die auf radial entgegengesetzten Seiten der Gewinde­ spindelachse positioniert und in demjenigen Endbereich der Gewindespindel (1) oder einer Gewindespindel-Verlängerung angeordnet sind, der dem Führungselement (2b) abgewandt ist, wobei die Impuls-Richtung von der Schwerkraftrichtung und der Achsrichtung der Ge­ windespindel verschieden ist,
• 3. entsprechend der gewünschten Vorschubrichtungen der Gewindespindel (1) einer der Stoß­ körper (5c; 5d) mit vorbestimmter Frequenz antreibbar oder auf diesen in vorgegebenen Zeitintervallen ein Bewegungsimpuls vorbestimmter Größe übertragbar ist.

2. Vorrichtung zur Bewegungsumwandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Gewinde-Nenndurchmesser kleiner als die Gewindetragtiefe ist.

3. Vorrichtung zur Bewegungsumwandlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsrichtung des angetriebenen Stoßkörpers (5c; 5d) auf der Gewindespindel- Achse annähernd senkrecht steht.

4. Vorrichtung zur Bewegungsumwandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei annähernd horizontaler Ausrichtung der Gewindespindel-Achse der Winkel des angetriebenen Stoßkörpers (5c; 5d) von einer Horizontalebene zwecks Änderung des Vorschubweges der Gewindespindel (1) pro Impuls zwischen 0° und < ± 90° änderbar ist.

5. Vorrichtung zur Bewegungsumwandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des angetriebenen Stoßkörpers (5c; 5d) und/oder der auf ihn übertragene Impuls zwecks Änderung des Vorschubweges änderbar ist.

6. Vorrichtung zur Bewegungsumwandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungselement (2b) als selbstschmierendes Gleitlager ausgeführt ist.

7. Vorrichtung zur Bewegungsumwandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungselement (2b) als zweites Innengewinde ausgeführt ist.

8. Vorrichtung zur Bewegungsumwandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengewinde (2a) in einem selbsteinstellenden Pendel-Gleitlager oder einem selbsteinstellenden Pendel-Kugellager gelagert sind.

9. Vorrichtung zur Bewegungsumwandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Innengewinde (2a) und Führungselement (2b) axial fluchtend in einem gemeinsamen Gestell angeordnet sind.

10. Vorrichtung zur Bewegungsumwandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mit vorbestimmter Frequenz angetriebene Stoßkörper (5c; 5d) peri­ odisch schwingt und während eines Teils seiner Schwingung an den Gewindespindelschaft oder die Gewindespindel-Verlängerung anschlägt.

11. Vorrichtung zur Bewegungsumwandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoßkörper (5c; 5d) zum Zwecke seines Antriebs oder seiner Aufla­ dung mit einem Bewegungsimpuls vorbestimmter Größe zeitweilig an eine oszillierende oder rotierende Impulsspeicher-Baugruppe ankoppelbar ist.

12. Vorrichtung zur Bewegungsumwandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der anzutreibende Stoßkörper (5c; 5d) oder die Impulsspeicher-Baugruppe mindestens zeitweilig an ein mit kleiner Amplitude schwingendes System ankoppelbar ist, das mit der Resonanzfrequenz der Stoßkörperaufhängung oder der Impulsspeicher-Baugruppe schwingt.

13. Vorrichtung zur Bewegungsumwandlung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das mit kleiner Amplitude schwingende System als Piezoaktor oder magnetostriktiver Schwinger ausgebildet ist.

14. Vorrichtung zur Bewegungsumwandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßkörper (5c; 5d) mittels Piezoaktoren oder magnetostriktiver Schwinger antreibbar oder an solchen Schwingern angeordnet ist.

15. Vorrichtung zur Bewegungsumwandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Gewinde-Nenndurchmesser von Gewindespindel (1) und Innengewinde (2a) mittels auswechselbarer Gewindespindel und/oder Spindelmutter veränder­ bar ist.

16. Vorrichtung zur Bewegungsumwandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Innengewindes (2a) annähernd horizontal ausgerichtet ist.

17. Vorrichtung zur Bewegungsumwandlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung < ± 90° von der Horizontalen geneigt ist.