DE20106461U1

DE20106461U1 - Aktuator

Info

Publication number: DE20106461U1
Application number: DE20106461U
Authority: DE
Original assignee: Hiwin Technologies Corp
Current assignee: Hiwin Technologies Corp
Priority date: 2001-04-12
Filing date: 2001-04-12
Publication date: 2001-07-26
Anticipated expiration: 2011-04-13

Description

»&diams;···· _m &bgr;

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aktuator, der bei elektronischen Geräten, Robotern, automatischen Maschinen oder dergleichen eingesetzt werden kann.

Ein Aktuator der angesprochenen Gattung besteht aus einem Grundkörper, einem verfahrbaren Tisch, einem Antriebsmechanismus, einem Führungsmechanismus und einem Motor. Im Stand der Technik wird eine lineare Führung als Führungsmechanismus verwendet. Zwei parallele Schienen der linearen Führung sind am Grundkörper angebracht. Der verfahrbare Tisch ist auf Gleitstücken der linearen Führung gelagert. Der Antriebsmechanismus wandelt die Drehbewegung des Motors in eine lineare Bewegung zum Verfahren des Tisches um. Der vorbekannte Aktuator ist kompliziert und kostspielig. Zum Verringern der Bearbeitungskosten können der Grundkörper und der Führungsmechanismus aus Aluminiumextrusionsteilen zwecks Massenproduktion hergestellt werden. Da jedoch die Festigkeit von Aluminium gering ist, ist jedoch die Präzision des Aktuators hinsichtlich Linearität und Parallelität bei schweren Lasten gering, so dass die Lagepräzision des Aktuators nicht sehr gut ist.

Zum Antreiben des Aktuators kann eine Spindel oder ein Riemen verwendet werden. Die Spindel ist üblicherweise eine Kugelspindel oder Acme-Spindel, und der Riemen ist üblicherweise ein Zahnriemen. Die unterschiedlichen Antriebsmethoden fuhren zu unterschiedlicher Genauigkeit und Geschwindigkeit des verfahrbaren Tisches. Die Verwendung einer Kugelspindel zeigt die beste Präzision aufgrund eines geringen Spiels, während der Zahnriemen die schlechteste Genauigkeit liefert, da das Material des Zahnriemens flexibel ist. Im Hinblick auf Geschwindigkeit hat der Zahnriemen die günstigsten Eigenschaften. Im Hinblick auf die Herstellungskosten ist die Acme-Spindel am günstigsten; im Hinblick auf Genauigkeit und Geschwindigkeit hat sie jedoch schlechtere Eigenschaften als die Kugelspindel. Der Führungsmechanismus des Aktuators wird in erster Linie von zwei linearen Führungen gebildet. Der Motor ist ein Schrittmotor oder Servomotor. Wenn der Aktua-

tor an der Maschine angebracht ist, wird die Position des verfahrbaren Tisches indirekt durch den Drehwinkel des Motors berechnet, was jedoch leicht zu Fehlern führt.

Im allgemeinen besitzt der Aktuator keine unmittelbaren Positionsmesseigenschäften. Bei einigen Aktuatoren ist eine Codiervorrichtung am Motor oder an der Spindel vorgesehen; wenn jedoch der Motor die Spindel oder das Antriebsrad des Riemens dreht, kann die Messeinrichtung lediglich den Drehwinkel des Motors oder der Spindel, nicht jedoch die genaue Position des verfahrbaren Tisches erfassen. Wenn es erforderlich ist, die genaue Position des verfahrbaren Tisches zu erfassen,

&iacgr;&ogr; ist im Stand der Technik die einzige Möglichkeit, eine Positionsskala an der Außenseite des Aktuators anzubringen, nachdem der Aktuator an der Maschine oder dem Gerät montiert worden ist. Dieses Verfahren erfordert jedoch zusätzlichen Raum und zusätzliche Montagezeit, was den Materialverbrauch und die Anforderungen an die Montagetechnik erhöht, während gleichzeitig der Platzbedarf und die Herstellungskosten ebenfalls erhöht werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aktuator mit inhärenter Positionsmessfunktion zu schaffen, der ausgezeichnete Festigkeitseigenschaften hat, ohne den Platzbedarf zu erhöhen.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen definiert.

Der Führungsmechanismus des erfmdungsgemäß ausgebildeten Aktuators hat eine U-förmige Struktur, welche sich durch ein großes Trägheitsmoment aufzeichnet, um dem Aktuator eine ausgezeichnete Steifigkeit und Festigkeit zu verleihen. Der U-förmige Führungsmechanismus und der verfahrbare Tisch haben aufeinander abgestimmte Nuten, in denen eine Vielzahl von Kugeln eingesetzt sind, so dass der verfahrbare Tisch durch Rollbewegungen der Kugeln relativ zu dem U-förmigen Führungsmechanismus bewegt werden kann.

Die Erfindung löst die bei herkömmlichen Aktuatoren anzutreffenden Schwierigkeiten, wonach die Position des verfahrbaren Tisches nicht präzise oder

• «

• ·

überhaupt nicht erfaßt werden kann, und zeichnet sich im übrigen durch einen einfachen konstruktiven Aufbau und relativ geringe Herstellungskosten aus.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Lineal des Positionsmessgliedes an einer Bodenfläche des U-förmigen Führungsmechanismus haftend angebracht, und der Sensor des Positionsmessgliedes ist an dem verfahrbaren Tisch befestigt, so dass der Sensor in den Tisch integriert ist, wodurch Platz gespart wird.

Der Antriebsmechanismus ist eine Kugelspindel oder Acme-Spindel, welche durch den verfahrbaren Tisch verläuft* und das mit der Spindel zusammenwirkende Gewinde ist unmittelbar am Tisch vorgesehen. Der für die Kugelspindel erforderliche Umlaufkanal ist ebenfalls am verfahrbaren Tisch, wodurch Platz gespart wird.

Wenn der Antriebsmechanismus von einem Zahnriemen gebildet wird, wird er über die Oberseite und Unterseite des Tisches geführt und von zwei Zahnrädern getragen. Der Zahnriemen wird von einem Motor über die Zahnräder angetrieben, um den Tisch zu verfahren.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Skala, insbesondere magnetische Skala, misst die Position des Tisches unmittelbar, wodurch ein Spiel der Kugelspindel, der Acme-Spindel oder des Zahnriemens kompensiert wird. Antrieb, Führung und Messmöglichkeit sind in den Aktuator integriert, was den konstruktiven Aufbau vereinfacht und die Herstellungskosten verringert.

Statt einer magnetischen Skala kann auch eine optische Skala vorgesehen werden. Ein optisches Lineal in Form eines Stahlstreifens wird dann an der Innenseite in der Mitte des U-förmigen Führungsmechanismus haftend angebracht, während der Sensor in dem Tisch abgedichtet untergebracht wird, wodurch sich Messsignale hoher Genauigkeit erzeugen lassen.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Aktuators gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine teilweise weggeschnittene Ansicht des Aktuators in Fig. 1;

Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Linie A-A' in Fig. 1; Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Aktuators gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;

Fig. 5 eine teilweise weggeschnittene Ansicht des Aktuators in Fig. 4.

Der in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Aktuator gemäß einem ersten Ausfuhrungsbeispiel besteht im wesentlichen aus einem Führungsmechanismus 1, einem verfahrbaren Tisch 4, einem Antriebsmechanismus und einem Positionsmessglied.

Der Antriebsmechanismus liefert die Antriebskraft für die Gleitbewegung des Tisches 4. Der Antriebsmechanismus besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Kugelspindel 5, und der Tisch 4 ist mit einem Gewinde versehen, das zu dem der Kugelspindel 5 passt. Statt dessen kann der Antriebsmechanismus eine Acme-Spindel sein, wobei dann der Tisch 4 mit einem entsprechenden Gewinde versehen ist. Die Kugelspindel 5 dient dazu, eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung des Aktuators umzuwandeln, so dass der Tisch 4 auf dem Führungsmechanismus gleitend verfahrbar ist.

Der Führungsmechanismus 1 ist geradlinig ausgebildet und hat einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt, um den Tisch 4 längs einer geradlinigen Bahn zu führen. Das Positionsmessglied hat ein Lineal, das an einer Innenseite des Führungsmechanismus 1 so angebracht ist, dass das Positionsmessglied die Position des Tischs 4 erfassen kann. Das Positionsmessglied kann als magnetische Skala 2 ausgebildet sein, welche dazu verwendet wird, die Positionen des Aktuators &ldquor;rückzumelden". Alle die oben erwähnten Teil sind in den Führungsmechanismus 1 vollständig integriert, wodurch ein platzsparender Aufbau erzielt wird.

Der U-förmige Führungsmechanismus 1 hat zwei Seiten, an denen jeweils eine Innenwand mit einer längsverlaufenden ersten Nut 11 vorgesehen ist, was ebenfalls zur Verringerung des Platzbedarfes beiträgt. Der Tisch 4 ist zwischen den beiden Seiten des U-förmigen Führungsmechanismus 1 gleitend gelagert und ist auf zwei Seiten jeweils mit einer zweiten Nut 41 versehen, die zu der ersten Nut 11 des Führungsmechanismus 1 passend ausgebildet ist. Eine Vielzahl von Kugeln 32 sind zwischen die erste Nut 11 des Führungsmechanismus 1 und die zweite Nut 41 des

•&kgr;··.&eegr;

Tisches 4 eingesetzt. Der Tisch 4 ist am vorderen und hinteren Ende jeweils mit einer Kappe 3 versehen, die Umlaufrollbewegungen der Kugel 32 ermöglichen, so dass der Tisch 4 längs der ersten Nut 11 des Führungsmechanismus 1 verfahren werden kann. Die Nuten 11 und 41 können durch eine Oberflächenbearbeitung wie z.B. durch Schleifen behandelt werden, um eine hohe Arbeitsgenauigkeit zu erzielen, so dass der Aktuator hinsichtlich Parallelität und Linearität äußerst präzise ist. Der U-fÖrmige Aufbau verleiht dem Führungsmechanismus 1 eine hohe Steifigkeit und Festigkeit. Der gesamte Aktuator kann auf einem Arbeitstisch unmittelbar verriegelt werden, was seinen Einsatz erleichtert.

Der Tisch 4 wird durch eine entsprechende Bearbeitung unmittelbar mit einem Gewinde versehen, das zu dem der Spindel 5 passend ausgebildet ist, um den Durchtritt der Spindel 5 zu ermöglichen. Wenn die Spindel 5 eine Kugelspindel ist, wird der Umlaufkanal für die Kugeln unmittelbar in den Tisch 4 eingearbeitet, um Umlaufrollbewegungen der Kugeln 52 zu ermöglichen; dies trägt zur Platzersparnis ebenfalls bei.

Der Führungsmechanismus 1 ist an seiner mittleren inneren Seite mit einer Ausnehmung 12 versehen. Die magnetische Skala 2 umfasst ein Lineal 21, das an der Bodenfläche der Innenseite des U-fÖrmigen Führungsmechanismus 1 angebracht ist und von der Ausnehmung 12 aufgenommen wird. Ein magnetischer Wider-Standssensor 22 wird in der Kappe 3, die auf einer Seite des Tischs 4 angeordnet ist, festgelegt und versiegelt. Der magnetische Widerstandssensor 22 ist mit einem kleinen Teil einer gedruckten Schaltungsschaltungsplatte 24 und einem Signaldraht 25 verbunden. Der Signaldraht 25 ist mit einem ersten Ende an einem Anschluss der gedruckten Schaltungsplatte 24 und mit einem zweiten Ende an einer Seite der Kappe 3 angebracht. Die Kappe 3 kann durch ein Kunststoffspritzgieß- oder Metallbearbeitungsverfahren hergestellt werden, und die Innenseite der Kappe 3 wird so gegossen, dass Raum für den Einbau des magnetischen Widerstandssensors 22, der gedruckten Schaltungsplatte 24 und des Signaldrahts 25 ist. Dieser konstruktive Aufbau erleichtert die Beeinflussung und Kontrolle des Spiels zwischen dem magnetischen Widerstandssensor 22 und dem Lineal 21, so dass sich für die magneti-

sehe Skala 2 eine ausgezeichnete Messgenauigkeit ergibt. Der magnetische Widerstandssensor 22 ist in die Kappe 3 integriert, wodurch Volumen und Material des Aktuators entsprechend verringert werden.

Die Figuren 4 und 5 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel eines Aktuators, dessen Antriebsmechanismus aus einem Zahnriemen 6 besteht. Eine Seite des Zahnriemens 6 ist an dem Tisch 4 durch eine Andrückplatte 61 festgelegt, und die andere Seite des Zahnriemens 6 läuft frei durch die Unterseite des Tisches 4. Ein vorderes Zahnrad (nicht gezeigt) und ein hinteres Zahnrad (nicht gezeigt) arbeiten mit dem Zahnriemen 6 zusammen, um eine kapselförmige Konstruktion zu bilden, und werden von einem Motor (nicht gezeigt) angetrieben, um den Zahnriemen 6 in Drehbewegung zu versetzen und den Tisch 4 in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung zu bewegen. Gleichzeitig bewegt sich der magnetische Widerstandssensor 22 der magnetischen Skala 2 mit dem Tisch 4 relativ zu dem Lineal 21 der magnetischen Skala 2, die an der Bodenfläche der Innenseite des U-förmigen Führungsmechanismus 1 haftend angebracht ist, um die Position des Tisches 4 bei hoher Geschwindigkeit zu erfassen. Wegen der hohen Geschwindigkeit des Zahnriemens 6 und der Positionsmessung der magnetischen Skala 2 kann der mit einem Zahnriemen ausgerüstete Aktuator zum Transportieren bei hoher Geschwindigkeit bei ausgezeichneter Positionsmessgenauigkeit verwendet werden.

Die magnetische Skala kann durch eine optische Skala ersetzt werden, die zwar teurer als die magnetische Skala ist, jedoch eine höhere Messgenauigkeit liefert. Ein optisches Lineal in Form eines Stahlstreifens wird in der Ausnehmung 12 in der Bodenfläche des Führungsmechanismus 1 haftend angebracht, während ein optischer Lesekopf vom Interferenztyp und eine LED-Lichtquelle in der Kappe 3 des Tisches 4 vorgesehen werden, was die Handhabung erleichtert, Platz spart und für eine hohe Positionsmessgenauigkeit sorgt.

Claims

1. Aktuator mit einem Führungsmechanismus (1), einem verfahrbaren Tisch (4), einem Antriebsmechanismus und einem Positionsmessglied, von denen
der Führungsmechanismus (1) längsverlaufend ausgebildet ist und einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt mit zwei gegenüberliegenden Seiten hat, die jeweils an ihrer Innenwand mit einer längsverlaufenden ersten Nut (11) versehen sind,
der verfahrbare Tisch (4) zwischen den inneren Wänden der beiden Seiten des Führungsmechanismus (1) gleitend gelagert ist und an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils mit einer zweiten Nut (41) versehen ist, die zu der ersten Nut (11) passend ausgebildet ist, wobei zwischen der ersten und zweiten Nut (11, 41) eine Vielzahl von Kugeln (32) eingesetzt ist, wobei ferner der verfahrbare Tisch (4) an seinem vorderen und hinteren Ende jeweils mit einer Kappe (3) versehen ist, die einen Umlauf der Kugeln (32) ermöglichen, so dass der verfahrbare Tisch (4) längs der ersten Nut (11) des Führungsmechanismus (1) gleitend verschiebbar ist,
der Antriebsmechanismus die Antriebskraft zum Bewegen des Tischs (4) liefert und
das Positionsmessglied ein Lineal aufweist, das an der Innenseite des Führungsmechanismus (1) so angebracht ist, dass das Positionsmessglied die Position des verfahrbaren Tischs (4) erfassen kann.

2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionsmessglied eine magnetische Skala (2) ist und dass die magnetische Skala (2) ein Lineal (21), welche an einer Bodenfläche der Innenseite des Führungsmechanismus (1) angebracht ist, und einen magnetischen Widerstandssensor (22), der in der Kappe (3) abgedichtet untergebracht ist, aufweist.

3. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Positionsmessglied eine optische Skala ist und dass die optische Skala ein Lineal, das an einer Bodenfläche der Innenseite des Führungsmechanismus (1) haftend angebracht ist, und einen optischen Sensor, der in der Kappe (3) abgedichtet untergebracht ist, aufweist.

4. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmechanismus eine Kugelspindel (5) ist und dass der verfahrbare Tisch (4) ein Gewinde aufweist, das mit dem der Kugelspindel (5) in Eingriff steht.

5. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmechanismus eine Acme-Spindel ist und dass der verfahrbare Tisch (4) ein Gewinde aufweist, das mit der Acme-Spindel in Eingriff steht.

6. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmechanismus ein Zahnriemen (6) ist und dass der Zahnriemen (6) an dem verfahrbaren Tisch (4) durch eine Andrückplatte (61) festgelegt ist.