DE2725147A1

DE2725147A1 - Antriebsvorrichtung fuer einen linear bewegbaren druckkopftraeger

Info

Publication number: DE2725147A1
Application number: DE19772725147
Authority: DE
Inventors: William Duncan Thorne
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1976-06-24
Filing date: 1977-06-03
Publication date: 1978-01-05
Also published as: JPS565195B2; JPS532111A; CA1067441A; GB1524663A; FR2355660B1; SE7706912L; FR2355660A1; IT1115343B; SE413757B; US4019616A

Description

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Böblingen, 2. Juni 1977 heb-pi

Anmelderin:

International Business Machines Corporation, Arraonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen:

Neuanmeldung

Aktenzeichen d. Anmelderin: RA 976 001

Vertreter:

Patentanwalt Dipl.-Ing. H. E. Böhmer 7030 Böblingen

Bezeichnung:

Antriebsvorrichtung für einen linear bewegbaren Druckkopfträger

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Antriebsvorrichtung für einen linear bewegbaren Druckkopfträger

Die Erfindung betrifft Druckmaschinen, Schreibmaschinen oder ähnliche Geschäftsmaschinen, bei denen ein Druckelement linear vor einem Blatt Papier oder einem ähnlichen Aufzeichnungsträger für eine Beschriftung hin und her bewegt werden muß. Das Druckelement ist dabei auf einem Träger befestigt und die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Antriebsvorrichtung eines solches Druckelementträgers.

Stand der Technik

Es ist bereits eine große Anzahl der verschiedensten eine Linearbewegung bewirkender Betätigungsvorrichtungen für Druckmaschinen der oben beschriebenen Klasse entwickelt und/oder patentiert worden. Die US-Patentschrift 3 835 976 offenbart beispielsweise einen Druckelementträger mit einer drehbaren Mutter, die auf dem Träger befestigt ist, und von einer feststehenden Schraubspindel durchsetzt wird. Durch Drehung der Mutter mit Hilfe einer drehbaren Welle und einer Zahnradübertragung wird der Antrieb des Trägers bewirkt. Diese bekannte Anordnung ermöglicht zwar eine Linearbewegung des Druckträges in beiden Richtungen längs einer Druckzeile, ist jedoch relativ kompliziert aufgebaut und damit auch kostspieliger als erwünscht, hat eine ziemlich hohe Massenträhheit, starke mechanische Abnutzung und Schwierigkeiten bei der genauen Justierung und ist im allgemeinen auch schwieriger zusammenzubauen und zu warten, als dies wünschenswert erscheint.

Andere Arten von Vorrichtungen, wie sie beispielsweise in den US-Patentschriften 2 9O9 935 und 3 908 8O9 dargestellt sind, verwenden beispielsweise einen Wagen, der mit Hilfe eines Kabels, das an drehbaren Antriebsrollen für eine Bewegung in beiden Bewegungsrichtungen angebracht ist, längs einer Druck zeile hin und her bewegt werden kann. Eine derartige Vorrieh-

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tung ist ebenfalls sehr wirksam, ist mechanisch jedoch viel komplizierter und aufwendiger, als dies idealerweise sein sollte.

Eine weitere Art von bekannter Anordnung benutzt eine rotierende Schraubspindel mit einer oder mehreren Schraubengangen, welche durch einen Motor oder eine andere geeignete Antriebsvorrichtung angetrieben wird und in Eingriff mit einer auf einem Träger angebrachten Mutter steht und damit die Drehbewegung der Schraubspindel in eine Linearbewegung umsetzt. Derartige Anordnungen sind beispielsweise in den US-Patentschriften 3 800 933, 3 757 922 und 3 356 199 beschrieben. Keine dieser Vorrichtungen ist ausreichend mechanisch steif und besitzt nicht die erforderliche Eigendämpfung, wie sie auf die Dauer für einen sauberen Druckvorgang wünschenswert ist.

Berücksichtigt man die zuvor erwähnten Schwierigkeiten mit kompliziertem Aufbau, aufweniger Konstruktion, zu bewegender Masse» Massenträgheit und Abnutzung, schwierigem Zusammenbau und schwieriger Wartung bisher bekannter mechanischer Konstruktionen, so läßt sich daraus sofort ganz allgemein die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ableiten, nämlich eine Antriebsvorrichtung für einen Druckträger für eine Translationsbewegung eines Druckträgers in beiden Richtungen längs einer Druckzeile in einer Druck oder Geschäftsmaschine zu schaffen, bei der der Druckkopf auf dem Träger befestigt ist und sich mit diesem bewegt, wobei diese Antriebsvorrichtung ganz allgemein mechanisch einfacher aufgebaut und einfacher herzustellen und zusammenzubauen sein soll, wobei insbesondere die bisher erforderlichen engen mechanischen Toleranzen und die Anzahl der Teile verringert wird. Dabei soll erreicht werden, daß der gesamte Druckträger viel gedrängter aufgebaut, dabei eine größere Steifigkeit und ein kleineres Trägheitsmoment als bisher bekannte Träger aufweist. Die Einstellung in eine Druck-

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position soll dabei möglichst fehlerfrei und ohne Einschwingvorgänge erfolgen, so daß sich durch Verringerung der Verzügerungszeiten ein erhöhter Durchsatz ergibt.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese etwas allgemein definierte Aufgabe der Erfindung v:ird durch eine konzentrische Anordnung mit einem Antriebsmotor, einer Schraubspindel und einer oder mehrerer angetriebener mit der Schraubspindel in Eingriff befindlicher Muttern zusammen mit einem an dem Hotor befestigten Träger und einer drehbaren mit der Mutter versehenen Anordnung in der Weise gelöst, daß bei Erregung des Motors in einer Drehrichtung die Muttern gedreht werden und dabei mit den Windungen der Schraubspindel in Eingriff sind, die in einer festen Lage auf dem Rahmen der Vorrichtung gehalten ist. Daraus ergibt sich eine Linearbewegung des Trägers und Motors längs der Schraubspindel entsprechend der Drehrichtung des Motors.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden Merkmale der Erfindung sind den Patentansprüchen im einzelnen zu entnehmen.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine horizontale, teilweise Schnittansicht

durch die Anordnung des Motors, der Mutter und der Schraubspindel und

Fig. 2 eine Schnittansicht längs der Linie A-A in

Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

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in der Weise aufgebaut, daß ein Rahmen 1 mit Seitenwänden 2 vorgesehen ist, die mit dem Rahmen 1 verschraubt oder mit diesem aus einem Stück bestehen können, und zwischen diesen Seitenwänden 2 ein Motorgehäuse 3 trägt. Innerhalb des Motorgehäuses 3 ist ein Rotor 4 angeordnet sowie ein Lamellenpaktet 5 und Feldwicklungen 6. Der Motor ist ein Schrittschaltmotor, der durch eine Impulsfolge in schrittweise Drehbewegung versetzbar ist, so daß bei einer entsprechenden impulsmäßigen Ansteuerung der Wicklungen sich eine genaue Steuerung der dadurch erzielten Rotation erreichen läßt. Als Antriebsmotor kann auch für Anwendungsgebiete, bei denen ein ständig laufender Motor erforderlich ist, ein üblicher Induktionsmotor benutzt werden.

Der Rotor 4 weist eine, längs seiner Mittelachse verlaufende Axialbohrung auf, die im Preßsitz die Flansche von 2 Muttern 7 aufnimmt, die miteinander und mit dem Rotor 4 durch in Keilnuten liegende Federn 8 fest verbunden sind. Die Muttern 7 weisen dabei ein Innengewinde auf, das dem Gewinde einer Schraubspindel 9 angepaßt ist.

Die Schraubspindel 9 ist zwischen Endwänden 11 der Maschine in der Weise starr befestigt, daß in diesen Endwänden 11 jeweils eine quadratische Bohrung 10 zur Aufnahme der ebenfalls einen quadratischen Querschnitt aufweisenden Enden 1OA der Schraubspindel 9 vorgesehen ist. !

Lagerschilde 12 des Motors dienen der Halterung von Kugellagern 13, die mit an den Muttern 7 angeformten Flanschen 14 in Eingriff sind. Die Lagerschilde 12 können mit den Seiten- ' wänden 2 des Trägers 1 mit Hilfe von Schrauben 15 verschraubt \ sein, die in entsprechenden angesenkten Vertiefungen 16 der j Endwände 2 eingelassen sind. \

Eine der Muttern 7 ist mit einem Flansch 17 versehen, der sich

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aurch die zugeordnete Seitenwand 2 hindurch nach außen erstreckt und als Befestigung für eine Taktgeberscheibe 18 dient, die aus einem relativ dünnen, optisch undurchsichtigen Material wie z.B. Metall oder Kunststoff besteht und eine Reihe von radial auf Abstand stehenden Bohrungen oder Schlitzen aufweist, die intermittierend einen von einer Lichtquelle, wie z.B. einer lichtemittierenden Diode 19 ausgehenden Lichtstrahl, der auf einen Fototransistor 20 gerichtet ist, unterbrechen. Die lichemittierende Diode 19 wird über Leitungen 21 mit Strom versorgt und die Taktsignale v/erden von den Fototransistor 20 über Leitungen 22 abgenommen.

Auf diese Weise lassen sich sehr genaue Ausgangssignale von der an dem Flansch 17 mit Hilfe eines Kragens oder Ringes befestigten Taktgeberseheibe 18 ableiten, die die Rotation des Motors und damit natürlich der Mutter 7 genau anzeigen. Kennt man den Grad der Winkeldrehung der Taktgeberscheibe, so läßt sich die lineare Verschiebung des gesamten Trägers 1 zusammen mit dem Motor und den Muttern 7 leicht ausrechnen. Eine genaue Berechnung der Verschiebung erhält man dann, wenn die Steigung der Schraubspindel 9 genau bekannt ist.

Die Taktgeberscheibe 18 kann mit einer Reihe von auf Abstand stehenden Schlitzen versehen sein, die den von der lichtemittierenden Diode 19 nach dem Fototransistor 20 gerichteten Lichtstrahl intermittierend unterbrechen, so daß auf den Ausgangsleitungen 22 ein pulsierendes Signal erzeugt wird. Zählt man dabei die periodischen Änderungen des auf der Ausgangsleitung 22 auftretenden Ausgangssignals, dann läßt sich dabei auch exakt die Größe der Linearbewegung berechnen. Solche Vorrichtungen sind allgemein bekannt und sollen hier nicht weiter besprochen werden.

;Am anderen Ende des Motors 4 weist die Mutter 7 einen Flansch ί23 auf, die in einer Bohrung einer Einstellmutter 24 gleitet. j 709881/0690

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Diese Einstellmutter 24 ist mit einem Außengewinde 25 versehen, das mit einem entsprechenden, in der Seitenwand 2 des Trägers 1 angebrachten Gewinde eingreift. Die Einstellmutter 24 weist einen Flansch 26 auf, der an dem Kugellager 13 anliegt, so daß der Druck und/oder kleine achsiale Verschiebungen des Lagers durch Einstellung berücksichtigt werden können. Die Einstellmutter 24 ist mit Bohrungen oder Ausnehmungen 27 versehen, in die für die Justierung ein entsprechendes Spannwerkzeug einsetzbar ist.

Stromversorgungsleitungen 28 sind durch Bohrungen im Träger und im Gehäuse sowie eine Isolierbuchse 29 zum Anschluß an die Feldwicklungen 6 hindurchgeführt. Die aus dem Träger 1 herausführenden Stromversorgungsleitungen 28 laufen hinter der Gesamtanordnung her, wenn sie ihre Bahn von einem Ende zum anderen Ende der Schraubspindel 9 und zurück läuft. Das gleiche trifft für die Leitungen 21 und 22 zu, die der Stromversorgung der lichtemittiertenden Diode bzw. der Abnahme der elektrischen Signale von dem Fototransistor 20 dienen.

Wird der Motor durch Anlegen von Strom an die Leitungen 28 erregt, dann wird zwischen den Polschuhen des Rotors 4A und den Polschuhen 5A der Feldwicklung eine Kraft erzeugt, wie dies deutlicher aus Fig. 2 zu erkennen ist, und man erhält eine kleine Winkeldrehung des Rotors 4 in Abhängigkeit von der Anzahl der Polschuhe des Rotors bzw. der Feldwicklung 4A bzw. 5A. Angenommen, daß ein bremsendes Drehmoment an dem Gehäuse 3 angreift, dann drehen sich die Muttern 7 gleichzeitig mit dem Rotor 4. Dieses bremsende Drehmoment wird durch eine Führungsstange 31 aufgebracht, die mit linearen Gleitlagern 30 versehen ist, wo diese Führungsstange das Gehäuse des Trägers 1 durchsetzt. Die Führungsstange 31 ist an beiden Enden fest mit dem Rahmen 11 durch Schrauben 32 verbunden.

Die obere Oberfläche 33 des Trägers 1 kann zur Befestigung

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eines Druckelementes oder einer Druckvorrichtung, wie z.B. einem Matrixdruckkopf versehen werden, was jedoch für die vorliegende Erfindung nicht von Bedeutung ist und somit weggelassen ist.

Um eine genaue Anzeige der Winkelverschiebung zwischen der Taktgeberscheibe 18 und dem Träger 1 zu erzielen, ist an der Seitenwand 2 ein starrer Lagerbock 34 befestigt, der die lichtemittierende Diode 19 und die fotoempfindliche Diode 20 oder den Fototransistor 20 in feststehender Anordnung zueinander ausgerichtet hält. Dieses elektro-optische Modul 34 ist ein handelsübliches Erzeugnis und muß nicht näher beschrieben werden.

In den Fign. 1 und 2 sind die Muttern 7 soweit ausgebohrt, daß die Gewindegänge der Schraubspindel 9 frei durch denjenigen Teil der Mutter hindurch treten können, an dem die mit Paßsitz eingepaßten Flansche und die herausragenden Flansche gebildet sind, so daß hier keine gegenseitige Beeinflussung entsteht und die durch Reibung verusachte Abnutzung verringert wird, die durch zu viele Gewindegänge in Eingriff mit den Muttern entstehen könnten. Natürlich könnte die gesamte Bohrung jeder der Muttern 7 mit einem Gewinde versehen sein, das mit den Gewindegängen der Schraubspindel 9 in Eingriff ist, falls dies erwünscht ist.

In Fig. 2 ist eine Schnittansicht längs der Linie A-A in Fig. 1 dargestellt. Die Federn 8, die die einzelnen Muttern 7 mit dem Rotor 4 in der Weise verbinden, daß sie in entsprechende eingearbeitete oder eingefräste Keilnuten in jeder der Muttern und zwischen den Polschuhen 4A des Rotors 4 eingesetzt sind. Die Federn 8 verhindern eine relative Winkelverschiebung zwischen den Muttern und dem Rotor 4, so daß diese zusammen als Einheit arbeiten. Die Schraubspindel 9, die mit ihren Gewindegängen in den Gewindebohrungen der Mut-

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tern 7 eingeschraubt ist, durchsetzt eine Mittelbohrung im Rotor 4. Man sieht, daß der Motor, der Rotor 4, die Mutter 7 und die Schraubspindel 9 alle zueinander konzentrisch zu einer kompakten und robusten Konstruktion vereinigt sind. Die Feldwicklung 6 und die Feldlamellenpakete 5 sind ebenso aus Fig. 2 zu erkennen, und man sieht ohne weiteres, daß die Wahl der Anzahl der Feldwicklungen hier dem Konstrukteur überlassen ist, je nachdem wie groß der Einzelschritt dieses Schrittschaltmotors sein soll. Die Anzahl der erforderlichen Lamellen 5 hängt bekanntlich vom gewünschten Frequenzverhalten des Motors ab, doch sind diese Einzelheiten dem Konstrukteur von Schrittschaltmotoren geläufig und bedürfen keiner weiteren Erläuterung.

Das ganze wird in der Weise zusammengebaut, daß zunächst die Muttern 7 und der Rotor 4 auf die Schraubspindel 9 aufgesetzt werden, wie dies dargestellt ist, worauf die Muttern 7 von beiden Enden in die Bohrung des Rotors 4 hineingepreßt werden. Die Muttern 7 werden dann relativ zueinander gedreht, bis man eine freie Drehung des Gesamtaufbaus aus Rotor 4 und Muttern 7 als Einheit mit möglichst kleinem Spiel erhält. Dann werden die Flansche der Muttern 7 in Ausrichtung mit den Rotor*· schlitzen im Rotor 9 ausgefräst und nicht magnetische Federn werden in die Keilnuten eingepreßt, so daß die Muttern 7 unveränderlich in ihrer Lage zueinander und zum Rotor 4 kommen. Die gesamte Anordnung wird dann, wie in Fig. 1 gezeigt, in das Motorgehäuse 3 eingesetzt, und die Einstellmutter 24 wird für kleinstes Spiel eingestellt.

Im Betrieb wird eine Folge von elektrischen Impulsen über die Stromversorgungsleitungen 28 zugeführt, die den Motor inter- j mittierend erregen. Dadurch erhält man eine schrittweise ' Winkeldrehung des Rotors 4 und eine glatte, jedoch schrittweise Linearbewegung der Gesamtanordnung wegen des Eingriffs ' der Mutter 7 mit der Schraubspindel 9. Die längs der Schraub- j

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spindel 9 laufende Mutter 7 übt eine Kraft auf die Lager 13 aus und bewegt damit das Gehäuse 3 nach links oder rechts, je nach Drehrichtung des Motors und nimmt den Träger 1 dabei mit. Die Schraubspindel 9 ist an ihren beiden Enden in einer solchen Weise fest verankert, daß sich die Schraubspindel nicht drehen kann. Man sieht, daß sich aus dieser neuartigen Konstruktion verschiedene Vorteile ergeben:

Vorteile:

Vergleicht man die Neukonstruktion gemäß der Erfindung mit einem magnetischen linearen Schrittschaltmotor, so sieht man, daß die vorliegende Neukonstruktion eine abgeschlossene, magnetisch dichte Einheit darstellt, bei der der gesamte erzeugte magnetische Fluß durch geeignete Abschirmung am Austreten gehindert wird, indem man beispielsweise ein magnetisches Gehäuse 3 benutzt, statt magnetische Streufelder in den Bereich in unmittelbarer Nachbarschaft der Anordnung austreten zu lassen, wie dies bei linearen Schrittschaltmotoren der Fall ist. Man sieht ferner, daß in der Anordnung gemäß Fign. 1 und 2 die einzigen engen Toleranzen diejenigen sind, die im Zusammenwirken mit der Schraubspindel stehen, die jedoch leicht innerhalb annehmbarer Grenzen gehalten werden können und keine sehr genaue Oberflächenbearbeitung ebener oder quadratischer Oberflächen erfordert. Man sieht ferner, daß Taktgeberanordnungen üblicher Bauart benutzt werden können und daß hier weniger Wandler und weniger flexible Kabel erforderlich sind als bei einem linearen Schrittschaltmotor. Ganz klar ist die Linearbewegung der gesamten Anordnung eine Funktion der Drehung des Rotors und des Steigungswinkels der Gewindegänge der Schraubspindel 9. Die Anordnung ist daher einwandfrei mechanisch verriegelt ohne einen dazwischenliegenden Luftspalt, wie dies bei linearen Schrittschaltmotoren der Fall ist. Dies hat zur Folge, daß das Gehäuse 3 und der Träger 1 nicht freilaufend sich drehen können, wenn die dem Schrittschaltmotor zugeführte Leistung unterbrochen wird, ins-

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besondere in dem Fall, wenn ein Motor mit Permanentmagnet benutzt wird.

Verwendet man eine Taktgeberscheibe 18 mit vielen Schlitzen, so läßt sich für die Breite eines jeden zu druckenden Zeichens, gemessen linear längs der Bahn des Trägers 1 für eine größere Flexibilität bei Anpassung der elektronischen Schaltung und für eine feinere Steuerung zum Starten und Anhalten der Anordnung eine Anzahl von Impulsen erzeugen. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß der magnetische Stromkreis des rotierenden Schrittschaltmotors einen wesentlich höheren Wirkungsgrad aufweist und damit wesentlich weniger elektrische Leistung benötigt als ein linearer Schrittschaltmotor.

Die Vorteile der Neukonstruktion im Gegensatz zu der üblichen angetriebenen Schraubspindel mit darauf laufender Mutter sind ebenfalls klar. Zunächst ist die Neukonstruktion wesentlich kompakter, da es dabei keinen außerhalb liegenden Motor oder ähnlichen Antriebsmechanismus gibt, der innerhalb des Maschinenrahmens 11 zusätzlichen Raum beansprucht. Außerdem wird innerhalb des Systems das Trägheitsmoment der Schraubenspindel 9 beseitig, da sich die Schraubenspindel 9 nicht bewegt. Drittens sind hier weniger Lager erforderlich und viertens benötigt man keine Kupplung zwischen dem Motor und der Schraubenspindel 9 für eine Ausrichtung oder für eine übert tragung eines Drehmomentes. Dies ist eine konstruktive Vereinfachung, die die Herstellkosten und die Schwierigkeiten bei der Wartung beträchtlich verringert. Fünftens ist die Torsionssteifigkeit der Schraubspindel 9 bei gleicher Länge und gleichem Durchmesser etwa viermal so groß am schwächsten Punkt wie bei Anordnungen, bei denen die Schraubspindel angetrieben wird. Die Biegesteifigkeit der Schraubspindel 9 ist wegen ihrer Verankerung an den Enden im Rahmen 11 mindestens , zweimal so groß wie bei angetriebener Schraubspindel. <

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Claims

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1. Antriebsvorrichtung für eine Linearbewegung eines Druckwagens einer Geschäftsmaschine, insbesondere eines Druckers mit einem bewegbar angeordneten Träger für einen Druckkopf oder dergleichen, längs einer Druckzeile, gekennzeichnet, durch eine parallel zu der Druckzeile angeordnete und sich mindestens über die gesamte Länge der Druckzeile erstreckende fest angebrachte Schraubspindel (9), durch mindestens eine mit einem Innengewinde versehene, seitlich in ihrer Bewegung beschränkte, in dem Träger (1) frei drehbare, konzentrisch auf der Schraubspindel laufende Mutter (7), durch einen aus Rotor (4, 4A) und Stator (5, 5A, 6) und Gehäuse (3) bestehenden Motor, dessen Teile zueinander und zur Mutter (7) konzentrisch angeordnet sind, wobei Rotor (4, 4A) und Mutter (7) fest (8) miteinander verbunden sind und gemeinsam rotieren, während das Motorgehäuse (3) fest mit dem Träger verbunden ist, sowie durch eine gleitende Befestigung des Trägers (1) an einer Gleitschiene (31) für eine Gleitbewegung des Trägers (1) parallel zu der Schraubspindel und durch eine den Träger und das Gehäuse (2) durchsetzende biegsame Stromzuführung (28) für die Ansteuerung des Schnittschaltmotors.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu den beiden Seiten des Trägers (2) je eine Mutter (7) eine Bohrung des Trägers durchsetzt und konzentrisch im Paßsitz in eine Axialbohrung des Rotors (4) eingesetzt ist und mit diesem durch in Keilnuten eingesetzte Federn (8) fest verbunden ist, und daß eine Schulter (14) eines Flansches der Mutter (7) ein Kugel-

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lager (13) trägt/ auf dem ein Lagerschild (12) gleitend gelagert ist/ das mit dem Träger (2) fest verbunden und in das Motorgehäuse (3) eingepaßt ist, das wiederum mit dem Träger (2) fest verbunden ist, so daß bei feststehendem Stator (5, 5A/ 6) der Rotor (4, 4A) des Motors mit den Muttern (7) für eine Linearbewegung parallel zu einer Druckzeile sich um die Schraubspindel zu drehen vermag.

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