DE19752696C1 - Linearantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Linearantrieb.

Bekannte Linearantriebe, wie beispielsweise Gleitmuttern und Rollenmuttern, werden meist mittels Elektromotoren direkt oder über ein Zahnrad- bzw. ein Riemengetriebe angetrieben. Bei dieser Art Antrieb ist zum einen nachteilig, daß der Elektromotor in unmittelbarer Nähe des Linearantriebs ange­ bracht sein muß und zum anderen hat sich als besonders nach­ teilig herausgestellt, daß für das Bestimmen der jeweils ak­ tuellen Position eines Linearantrieb im allgemeinen elek­ trisch betriebene Meßsysteme, beispielsweise Encoder oder Maßstäbe, notwendig sind, um mit deren Hilfe Aufschluß über die tatsächliche Position des Motors, des Getriebes oder des Linearantriebs selbst zu erhalten. (Siehe DE 195 25 454 A1)

Obendrein sind die bekannten Linearantriebe generell immer dann nicht einsetzbar, wenn aufgrund bestimmter Anforderungen an die Umgebung keine elektrischen oder metallischen Kompo­ nenten verwendet werden dürfen, da durch sie elektrische oder magnetische Felder mehr oder weniger stark beeinflußt und ge­ stört werden können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Linear­ antrieb derart auszugestalten, daß ohne zusätzlichen Aufwand eine geforderte Positionierung des Antriebs realisierbar und zuverlässig gewährleistet ist.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe bei einem Linearantrieb mit den Merkmalen des An­ spruchs 1 oder des Anspruchs 2 gelöst. Vorteilhafte Weiter­ bildungen sind Gegenstand der auf den Anspruch 1 oder 2 un­ mittelbar oder mittelbar rückbezogenen Ansprüche.

Gemäß der Erfindung weist eine erste bevorzugte Ausführungs­ form eines Linearantriebs eine Gewindestange auf, mit der eine Gewindemutter in kämmendem Eingriff steht, von deren Außenumfang in radialer Richtung eine Anzahl in gleichem Ab­ stand voneinander angeordnete Zapfen vorstehen. Ferner sind der Gewindemutter vorzugsweise zwei Kulissen zugeordnet, die in einem Gehäuse des Linearantriebs parallel zur Achse der Gewindestange geführt sind und so angetrieben werden können, daß sie sich in axialer Richtung hin- und herbewegen.

Bei jeder Pendelbewegung einer der Kulissen, d. h. bei einer Bewegung von einer der einen Endlage entsprechenden Ausgangs­ lage in die andere Endlage der Kulisse zurück wieder in deren Ausgangslage, wirkt die Kulisse auf die von der Gewindemutter vorstehenden Zapfen in der Weise ein, daß die über die Zapfen ausgeübte Kraft schrittweise in eine Drehbewegung der Gewin­ demutter umgewandelt wird und dadurch eine lineare Verschie­ bung der Gewindestange erfolgt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines Li­ nearantriebs gemäß der Erfindung ist im Unterschied zu der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Gewindestange translatorisch im Gehäuse festgelegt; die mit einer Gewinde­ mutter in kämmendem Eingriff stehende Gewindestange weist ei­ ne Anzahl in gleichem Abstand voneinander ausgebildeter Zap­ fen auf, die analog zu den Zapfen, die bei der ersten Ausfüh­ rungsform von der Gewindemutter vorstehen, in radialer Rich­ tung von der Gewindestange vorstehen.

Bei einer Pendelbewegung einer der wie bei der ersten Ausfüh­ rungsform in axialer Richtung hin- und herbewegten Kulissen wirkt bei der zweiten Ausführungsform die eine Kulisse auf die von der Gewindestange vorstehenden Zapfen, so daß die translatorisch festgelegte Gewindestange schrittweise in Dre­ hung versetzt wird und dadurch die Gewindemutter schrittweise eine der Gewindesteigung entsprechende Linearbewegung aus­ führt.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann in Abhän­ gigkeit von der gewünschten Richtung der Linearbewegung je­ weils eine von vorzugsweise zwei Kulissen beispielsweise durch hydraulisch oder pneumatisch beaufschlagte Kolben ange­ trieben werden. Genauso kann der Antrieb der Kulissen auch über eine Nockenscheibe oder einen Kurbeltrieb oder, wenn das Unterbleiben einer Beeinflussung von elektrischen oder magne­ tischen Feldern nicht erforderlich ist, auch durch Hubmagnete erfolgen.

Bei dieser Art eines Antriebs der parallel zur Gewindestan­ genachse geführten Kulissen, beispielsweise durch hydraulisch oder pneumatisch beaufschlagte Kolben, durch die die Kulissen von ihrer Ausgangslage in eine Endlage und wieder zurück in die Ausgangslage gebracht werden, kann über die Anzahl der Bewegungshübe eine exakte Definition des Linearantriebs ein­ gestellt werden.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung von Linearantrieben ist somit ein Betrieb möglich, bei welchem keine Positions­ messung durchgeführt werden muß, da die Position des Aktua­ tors in Form eines erfindungsgemäßen Linearantriebs in unmit­ telbarem und direktem Zusammenhang zu der Anzahl der verfah­ renen Schritte, die, wie vorstehend ausgeführt, jeweils einer Hin- und Herbewegung der gerade betätigten Kulisse entspre­ chen, zu der letzten bekannten Position steht, die in bekann­ ter und üblicher Weise beispielsweise durch eine Referenzmar­ kierung feststellbar bzw. erfaßbar ist.

Hierbei kann die Referenzmarkierung und eine Überwachung der Anzahl Pendelhübe beispielsweise mittels über Lichtleiter be­ aufschlagten Lichtschranken erfolgen. Auf diese Weise kann die gegenüber der bekannten Ausgangsposition erreichte neue Position kontrolliert und auch gegebenenfalls direkt am Line­ arantrieb festgestellt werden, ohne daß irgendwelche zusätz­ lichen, verhältnismäßig aufwendigen elektronischen Komponen­ ten erforderlich sind.

Wenn der Linearantrieb beispielsweise als eine Positio­ niereinheit in der Meßtechnik eingesetzt werden soll, sind bei dem erfindungsgemäßen Linearantrieb, um irgendwelche Stö­ rungen und Beeinflussungen von elektrischen oder magnetischen Feldern nicht nur zu vermeiden, sondern von vornherein auszu­ schließen, alle Komponenten aus Materialien, wie beispiels­ weise Polyamid, Polyvinylchlorid (PVC), Polyoxymethylen (POM) u. ä. hergestellt, bei deren Einsatz mit Sicherheit weder elektrische noch magnetische Felder in irgendeiner Weise be­ einflußt oder gar gestört werden. Mit anderen Worten, bei dem erfindungsgemäßen Linearantrieb ist dessen Funktionstüchtig­ keit in zuverlässiger Weise auch bei einem völligen Verzicht auf metallische Komponenten gewährleistet.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Aus­ führungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einer vergrößerten, perspektivischen Wiedergabe eine schematisierte Darstellung eines über Hydrau­ likkolben beaufschlagten Linearantriebs, und

Fig. 2 bis 5 in gegenüber Fig. 1 vergrößerten, sich ändernden perspektivischen Darstellungen im wesentlichen den Ablauf einer Pendelbewegung einer von zwei Kulissen und die dadurch bewirkte Drehbewegung einer Gewin­ demutter um einen Schritt.

In der vergrößerten Darstellung der Fig. 1 des Ausführungsbei­ spiels des erfindungsgemäßen Linearantriebs sind in einem in seiner Gesamtheit mit 14 bezeichneten Gehäuse verschiebbar geführte Kulissen 4 und 5 vorgesehen, die über Kolbenstangen 61 bzw. 71 mittels hydraulisch beaufschlagten Kolben 6 und 7 betätigbar sind. Hierbei ist in Fig. 1 die Kulisse 4 in der der einen Endlage entsprechenden Ausgangsposition wiedergege­ ben, während die Kulisse 5 in der zweiten möglichen Endlage wiedergegeben ist.

Das zur Beaufschlagung der Hydraulikkolben 6 und 7 erforder­ liche Hydraulikfluid wird über nicht näher dargestellte Zu­ leitungen an Eintrittsöffnungen 8 bzw. 9 zugeführt. Am anderen Ende der nicht dargestellten Hydraulikfluid zuführenden Lei­ tungen ist eine vorzugsweise elektrisch betätigte Hydraulik­ einheit vorgesehen.

In Fig. 1 ist links vorne das Ende einer Gewindestange zu er­ kennen, während im Bereich der Kulissen 4 und 5 eine Gewinde­ mutter 2 zu erkennen ist, von deren Außenumfang in radialer Richtung Zapfen 3 vorstehen, von denen in Fig. 1 lediglich zwei Zapfen 3 teilweise wiedergegeben sind.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind beispielsweise, wie den Fig. 2 bis 5 zu entnehmen ist, insgesamt zwölf vom Außenumfang der Gewindemutter 2 in radialer Richtung vorste­ hende Zapfen 3 ausgebildet, die in dem gewählten Ausführungs­ beispiel somit einen Winkelabstand von 30° voneinander haben.

An in Fig. 1 mit Bezugszeichen 13 gekennzeichneten Stellen können Referenzmarkierungen auf dem Gehäuse 14 und/oder dem freien Ende der Spindelstange 1 vorgesehen sein. Mit Hilfe dieser Referenzmarkierungen kann dann eine gegenüber der be­ kannten Ausgangsposition erreichte neue Position kontrolliert und überwacht werden, ohne daß hierzu irgendwelche zusätzli­ chen, im allgemeinen verhältnismäßig aufwendigen, elektroni­ schen Komponenten erforderlich sind.

Ferner sind in Fig. 1 noch zwei senkrecht zur Achse der Gewin­ destange 1 verlaufende, rohrförmige Ansätze 11 und 12 angedeu­ tet, über welche das Gehäuse 14 an einer nicht näher darge­ stellten Halterung drehbar gehaltert sein kann.

In der perspektivischen Wiedergabe der Fig. 2 sind von dem Li­ nearantrieb lediglich die Gewindemutter 2 mit den von ihrem Außenumfang vorstehenden, in dem gewählten Ausführungsbei­ spiel, zwölf Zapfen 3 sowie die beiden in ihren Ausgangsposi­ tionen befindlichen Kulissen 4 und 5 dargestellt.

Ferner ist in Fig. 2 bis 5 das im Inneren der Gewindemutter 2 ausgebildete Gewinde 21 teilweise wiedergegeben. Auf der den von der Gewindemutter 2 vorstehenden Zapfen 3 zugewandten Seite der beiden Kulissen 4 und 5 sind jeweils Segmente 41 und 42 bzw. 51 und 52 eines steilen, auf den Kulissen ausge­ bildeten Gewindes zu erkennen.

Ferner sind an den in Fig. 2 bis 5 unteren Enden der beiden Kulissen 4 und 5 Befestigungsstellen 43 bzw. 53 angedeutet, an welchen die Kolbenstangen 61, 71 der hydraulisch beauf­ schlagten Kolben 6 bzw. 7 angreifen, welche zur Vereinfachung der Darstellung in den Fig. 2 bis 5 weggelassen sind.

Bei einer Betätigung der Kulisse 4 mittels des hydraulisch beaufschlagten Kolbens 7 wird, wie nachstehend noch im ein­ zelnen ausgeführt wird, die Gewindemutter 2 in der durch ei­ nen ausgezogen wiedergegebenen Pfeil angezeigten Richtung ge­ dreht, während bei einer Betätigung der Kulisse 5 durch den hydraulisch beaufschlagten Kolben 6 die Gewindemutter 2 in Richtung eines in Fig. 2 gestrichelt wiedergegebenen Pfeils gedreht würde.

Um die Gewindemutter 2 um den Winkelabstand zwischen zwei Zapfen 3 schrittweise weiterzudrehen, wird sowohl der Vor­ wärtshub der Kolben 4 oder 5 aus der in Fig. 2 dargestellten Ausgangslage als auch der Rückwärtshub der Kolben in die Aus­ gangslage ausgenutzt.

Nachstehend wird im einzelnen ein Drehschritt beschrieben, welcher mittels eines Doppelhubs in Form eines Vorwärts- und eines Rückwärtshubs der Kulisse 4 in der durch den ausgezoge­ nen Pfeil angezeigten Drehrichtung durchgeführt wird.

Wie bereits ausgeführt, befinden sich in Fig. 2 beide Kulissen 4 und 5 in der Ausgangsposition. In Fig. 3 ist der Beginn des Eingriffs des Segments 41 der Kulisse 4 an dem einzigen, mit dem Bezugszeichen 3 versehenen Zapfen dargestellt. Um die schrittweise Drehbewegung nachvollziehen zu können, ist der dem Zapfen 3 benachbarte Zapfen sowohl in Fig. 2 als auch in Fig. 3 und 5 mit dem Bezugszeichen 3' versehen.

In Fig. 4 befindet sich die Kulisse 4 in ihrer im Vergleich zur Ausgangslage in Fig. 2 oberen Endlage; das bedeutet, mit der Kulisse 4 ist ein Vorwärtshub durchgeführt worden. Da­ durch ist die Gewindemutter 2 bereits um einen halben Zapfen­ abstand, d. h. um den halben Abstand Zapfenmitte/Zapfenmitte, beispielsweise zwischen den beiden Zapfen 3 und 3' in der durch den ausgezogenen Pfeil angezeigten Richtung verdreht worden. In Fig. 4 ist durch eine gestrichelt wiedergegebene und mit dem Bezugszeichen 3 versehene Bezugslinie die in Fig. 4 nicht erkennbare Lage des Zapfens 3 angedeutet.

Ferner sind in Fig. 4 an der Kulisse 4 ausgebildete Rasten 44 dargestellt; die entsprechenden, an der Kulisse 5 ausgebilde­ ten Rasten sind in den Zeichnungen nicht dargestellt. Zum Schutz vor einem unbeabsichtigten Verdrehen der Gewindemutter 2 hält die in Fig. 2 bis 5 in der Ruhestellung befindliche Ku­ lisse 5 mit den an ihr ausgebildeten, in Fig. 4 nicht darge­ stellten, jedoch in Ausführung und Anordnung den Rasten 44 der Kulisse 4 entsprechenden Rasten jeweils zwei von der Ge­ windemutter 2 vorstehende Zapfen 3 und damit die Gewindemut­ ter 2 selbst in der jeweils erreichten Stellung fest.

In Fig. 5 ist der beginnende Rückwärtshub der Kulisse 4 darge­ stellt, und zwar kurz bevor das Gewindesegment 42 der Kulisse 4 bei dem Rückwärtshub mit dem Zapfen 3 der Gewindemutter 2 in Eingriff bzw. in Anlage kommt.

Nach Beendigung des Rückwärtshubes der Kulisse 4 befindet sich diese wieder in der in Fig. 2 wiedergegebenen Ausgangsla­ ge, wobei jedoch im Unterschied zu der Darstellung in Fig. 2 die Gewindemutter 2 um einen Zapfenabstand in der durch den ausgezogenen Pfeil angegebenen Richtung weitergedreht wird. Das bedeutet, nach Beendigung des mittels der Kulisse 4 durchgeführten Doppelhubes befindet sich nunmehr der Zapfen 3' in der Lage, in der sich vor Beginn des von der Kulisse 4 ausgeführten Doppelhubes der Zapfen 3 befunden hat. (Siehe Fig. 2)

Aufgrund der Beendigung des mittels der Kulisse 4 durchge­ führten Doppelhubes ist die mit dem Gewinde 21 der Gewinde­ mutter 2 in Eingriff stehende Spindelstange 1, was in den Fig. 2 bis 5 im einzelnen nicht dargestellt ist, um in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Zwölftel der Gewinde­ steigung des Gewindes 21 der Gewindemutter 2 in axialer Rich­ tung der Spindelstange 1 linear weiterbewegt worden.

Wenn die Steigung des Gewindes 21 beispielsweise 1 mm beträgt, wird bei jedem Drehschritt von 30° der Gewindemutter 2 die Gewindespindel linear um 1/12 mm, d. h. um etwa 0,083 mm linear vorwärts bewegt.

Claims (11)

1. Linearantrieb, umfassend
eine Gewindestange (1), mit der
eine translatorisch festgelegte Gewindemutter (2) mit einer Anzahl in gleichem Abstand voneinander angeordneten, von de­ ren Außenumfang in radialer Richtung vorstehenden Zapfen (3) in kämmendem Eingriff steht, und
in einem Gehäuse (14)parallel zur Gewindestangen-Achse ge­ führte Kulissen (4, 5), die in axialer Richtung hin- und her­ bewegt werden, und
bei dieser Pendelbewegung auf die von der Gewindemutter (2) vorstehenden Zapfen (3) einwirken, so daß die über die Zapfen (3) am Außenumfang der Gewindemutter (2) ausgeübte Kraft schrittweise eine Drehbewegung der Gewindemutter (2) und folglich schrittweise eine lineare Verschiebung der Gewin­ destange (1) zur Folge hat.

2. Linearantrieb, umfassend
eine Gewindemutter,
eine mit dieser in kämmendem Eingriff stehende, translato­ risch festgelegte Gewindestange, von welcher eine Anzahl in radialer Richtung in gleichem Abstand voneinander ausgebilde­ ter Zapfen vorstehen, und
in einem Gehäuse parallel zur Gewindestangen-Achse geführte Kulissen, die in axialer Richtung hin- und herbewegt werden, und
bei dieser Pendelbewegung auf die von der Gewindestange vor­ stehenden Zapfen einwirken, so daß die Gewindestange schritt­ weise so in Drehung versetzt wird, daß die Gewindemutter be­ züglich der translatorisch im Gehäuse festgelegten Gewinde­ stange schrittweise eine ihrer Gewindesteigung entsprechende Linearbewegung ausführt.

3. Linearer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz vor einem unbeabsichtigten Verdrehen der Ge­ windemutter (2) die jeweils in Ruhestellung verbliebene Ku­ lisse (4 oder 5) die von der Mutter (2) vorstehenden Zapfen (3) durch Rasten (44) in der jeweils erreichten Position hält.

4. Linearantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz vor einem unbeabsichtigten Verdrehen der Gewin­ destange die jeweils in Ruhestellung verbliebene Kulisse die von der Gewindestange vorstehenden Zapfen durch Rasten in der jeweils erreichten Position hält.

5. Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kulissen (4, 5) durch hydraulisch beaufschlagte Kolben (10, 11) angetrieben werden.

6. Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kulissen (4, 5) durch pneumatisch beaufschlagte Kolben angetrieben werden.

7. Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Antrieb der Kulissen (4, 5) über eine Nocken­ scheibe erfolgt.

8. Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Antrieb der Kulissen (4, 5) durch Kurbeltriebe erfolgt.

9. Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Antrieb der Kulissen (4, 5) durch Hubmagnete er­ folgt.

10. Linearantrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine lineare Verschiebung einer Gewindemutter gegenüber einer in dieser untergebrachten Ge­ windestange über ein bekanntes Planeten-Wälz-Getriebe (PWG), ein bekanntes steigungstreues Planeten-Wälz-Getriebe (SPWG) oder Kugelumlaufspindeln erfolgt.

11. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß alle Komponenten des axialen An­ triebs aus Materialien hergestellt sind, durch welche elek­ trische und/oder magnetische Felder nicht beeinflußt, insbe­ sondere nicht gestört werden.