DE19820514A1 - Translatorischer rotatorischer Multi-Aktuator-Motor - Google Patents

Description

Der Erfindung liegt die Harmonic-Drive-Getriebe-Idee zu Grunde. Harmonic-Drive- Getriebe sind als Rotationsgetriebe mit einer innenliegenden, außenverzahnten Flexspline bekannt. Bei dieser Getriebeart wird die Flexspline durch ein rotierenden Exzenter, oder auch bei H-D-Antrieben mit Magnetspulen auch Piezoaktuatoren, von innen nach außen in ein ortsfestes Zahnelement mit differenter Zähnezahl gedrückt und erfährt dadurch eine Drehung. Auch eine weitere Variante mit höherer Präzision ist bekannt bei der die Flexspline in zwei mit unterschiedlicher Teilung versehene Zahnelemente gedrückt wird, wobei eins ortsfest und das andere drehbar ist. In bei­ den Fällen ist die Flexspline außenverzahnt.

Es soll auch eine Rotations-H-D-Variante mit innenverzahnter Flexspline geben, die sich aber wohl wegen der emensen Schwierigkeiten bei der Herstellung von Innen­ verzahnungen nicht durchgesetzt hat.

Diese Problematik der Innenverzahnung zu lösen und die Realisierung eines Linear­ antriebes ist die Aufgabe der vorliegend Erfindung.

Ein Antrieb durch ortsfeste Aktuatoren bedeutet, der rotierende Exzenter ist durch diese Akuatoren zu ersetzen. Eine Betätigung von innen nach außen limitiert sehr stark die Konstruktion und Anzahl der Aktuatoren und damit die Leistung des An­ triebs. Daher ist es zweckmäßig für einen Rotationsantrieb die Betätigung von au­ ßen nach innen zu wählen, welches sich der Bauweise eines Linearantriebes nähert und die Baugleichheit der Aktuatoren ermöglicht. Da beim Linearantrieb keine Pro­ bleme mit Innenverzahnung auftreten ist hier die Anwendung einer Flexspline in Form einer beweglichen elastischen Zahnstange ohne Weiteres denkbar.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sei allerdings die Funktion des Antriebs für ei­ nen Linearantrieb erklärt, wobei die Ausführung untereinander bewegliche Zähne vornehmlich für Rotationsantriebe zu sehen ist.

Die Ausführung der Zähne als handelsübliche Nadelrollen hat gegen über einer fle­ xiblen Zahnstange jedoch auch Vorteile in einem Linearantrieb, da die Zähne in gewissen Grenzen rollen statt gleiten.

Betätigt man die Aktuatoren 1 der Reihe nach von links nach rechts werden die ver­ tikal bewegbaren Zähne 2 in gleicher Reihenfolge in die Zahnlücken der ortsfesten Zahnstangen 3 und der beweglichen Zahnstange 4 gedrückt. Die Teilung der beweg­ lichen Zahnstange 4 ist hier z. B. 10% größer als die der ortsfesten Zahnstangen 3, und nach einem Frequenzdurchgang, bei dem hier 5 Aktuatoren jeweils 1/5 zeitver­ setzt betätigt werden, hat sich die bewegliche Zahnstange 4 um eine Teilung z. B. = 1,72 mm weiter bewegt nach links (Es kann auch umgekehrt gewählt werden, was gleichgerichtete Betätigung und Vorschubrichtung bedeutet). Bei einer Betätigung mit 50 Hz bedeutet das eine Vorschubgeschwindigkeit von 86 mm/s. Betätigt man nur jeden zweiten Aktuator mit der gleichen Frequenz und dem gleichen Zeitversatz, verdoppelt sich die Vorschubgeschwindigkeit, auch durch Verdopplung der Fre­ quenz wird der gleiche Effekt erzielt.

Die Anwendung hoher Frequenzen ist zwar bis 1 kHz ohne weiteres möglich sie sollte allerdings so niedrig wie möglich sein und eine Grenze von 100 Hz ist ein völ­ lig unproblematischer Bereich und durch preiswerte am Markt erhältliche Frequen­ zwandler abdeckbar.

Da bei dieser Getriebeart nur sehr kleine Wege mit geringen Geschwindigkeiten vorkommen läßt sich eine Fettschmierung sehr gut einsetzen.

Die Mehrgängigkeit eines Antriebes sei nach Fig. 2 erklärt. Bei einer Zähnezahldif­ ferenz von 2 (o. teilbar durch 2) kann die Betätigung auch mit zwei 0-Punkten z. B. bei Aktuator 1 und 6 begonnen, und bei den Aktuatoren 2-5 und 7-10 fort gesetzt werden. Dabei arbeiten immer 2 Aktuatoren parallel, was das Drehmoment verdop­ pelt und die Umfangsgeschwindigkeit halbiert. Bei einem schwergängigen Anlauf kann diese Arbeitsweise auch hintereinander geschaltet werden durch entsprechen­ de Frequenzsteuerung.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines piezoaktivierten Aktuators. Die beiden Piezos mit der Länge l wirken gegeneinander in dem Winkel a und erzeugen einen Hub auf das gefederte Mittenteil, so daß das Maß B um einen Betrag 0,3-0,8 mm zunimmt. Für die Aktuatoren dieser Antriebstechnik ist es besonders wichtig das Maß D klein zuhalten, damit eine möglichst große Anzahl am Umfang eines Rotati­ onsantriebes oder auf der Länge eines Antriebsmoduls für einen Linearantrieb unter­ gebracht werden kann. Das erhöht die Leistung des Antriebes aber auch die Auflö­ sungsgenauigkeit.

Fig. 4 zeigt einen elektroviskos- oder druck-aktivierten Aktuator. 1 ist der ausgeführte Hub, der insbesondere beim druckaktivierten Aktuator, wesentlich größer sein kann als bei piezoaktivierten Aktuatoren. 2 kann z. B. ein Metallfaltenbalg sein. 3 ist das Fluid 4 und 5 entweder Zu- und Ableitung oder E-Anschluß.

Claims (4)

1. Translatorischer rotatorischer Multi-Aktuator-Motor dadurch gekennzeichnet, daß über mindestens einen Aktuator in einer Ebene bewegliche Zähne in ein translato­ risch oder rotatorisch bewegbares Zahnelement gedrückt werden, das ebenfalls mit Zähnen versehen ist, und dabei dieses, entweder in Folge differenter Zähnezahl bzw. Zahnteilung oder beidem, in einer Ebene etwa rechtwinklig liegend zur Hubrichtung der bewegten Zähne pro Aktuator um einen Minimalbetrag verschoben wird.

2. 2 nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Zähne für einen translatori­ schen Antrieb zu einer flexiblen Zahnstange, einer s.g. Flexspline, gehören die ortsfest abgestützt ist um die Kraftübertragung auf das bewegte Zahnelement zu ermöglichen.

3. 3 nach 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flexspline sich zur Kraftübertragung an mindestens einem seitlich, parallel zum bewegten Zahnelement ortsfest angeord­ netem Zahnelement abstützt um die Kraftübertragung auf das bewegte Zahnelement zu ermöglichen.

4. 4 nach 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Vorschubkraft ausübenden Zähne in einer Ebene frei beweglich sind untereinander und an ortsfest angeordne­ ten Führungen geführt werden.