DE3404707A1

DE3404707A1 - Reibantriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE3404707A1
Application number: DE19843404707
Authority: DE
Inventors: Paul D. Avon Conn. Henderson; Robert J. South Windsor Conn. Pavone
Original assignee: Gerber Scientific Instrument Co
Current assignee: Gerber Systems Corp
Priority date: 1983-03-01
Filing date: 1984-02-10
Publication date: 1984-09-13
Also published as: FR2542056A1; GB8405075D0; JPS59166753A; GB2139315A

Description

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um deren Wirkungen zu minimalisieren, wobei es jedoch das beste wäre, die Probleme an ihrer Quelle zu eliminieren.

Zahnrad- oder andere Zahnantriebsvorrichtungen unterliegen einem toten Spiel, wenn die Antriebsvorrichtung eine Last vor und zurück von Position zu Position bewegt. Totes Spiel führt Fehler direkt an das System ein, da die Ausgangszahnradpositionen relativ zu dem Eingangszahnrad nicht jederzeit und in jeder Lastposition konsistent sind. Wenn das Ausgangszahnrad in einer Richtung getrieben wird und die Richtung des Eingangszahnrades umgekehrt wird, muß das Eingangszahnrad sich um einen geringen Betrag drehen, bevor seine Zähne die gegenüberliegenden Seiten der Zähne des Ausgangszahnrades berühren. Ferner wirken des Zähne des Eingangs- und des Ausgangszahnrades wie Federn, wenn ein Moment angelegt wird, und führen zu einem Zittern im toten Spiel und konstanten Antriebsgeschwindigkeiten.

Folglich wird das tote Spiel die Hauptquelle für Anregungen, die Geräteresonanzen bewirken. Methoden zum Minimalisieren oder Eliminieren von totem Spiel sind allgemein sehr teuer, erfordern Präzisionsherstellung, um perfekte Zahnräder zu schneiden, oder verwenden federvorgespannte geteilte Zahnräder oder vorbelastete Kugelleitschrauben, um auf beiden Seiten der Antriebselemente Druck aufrechtzuerhalten, so daß eine Richtungsumkehr ohne Positionsverschiebung erfolgt.

Ferner erzeugt das Getriebeklappern allgemein ärgerliche und unerwünschte Geräusche. Um die Geräuscherzeugung herabzusetzen und ferner die Lebensdauer des Getriebes zu verlängern, ist eine Schmierung in periodischen Intervallen erforderlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine

Reibantriebsvorrichtung zu schaffen, in der die Resonanzquellen minimalisiert oder eliminiert sind, so daß das dynamische Verhalten sowohl der Antriebsvorrichtung als auch des hierdurch angetriebenen Geräts verbessert wird.

Die Reibantriebsvorrichtung ist insbesondere für Hochgeschwindigkeits- und Hochgenauigkeitsanwendungen verwendbar. Die Antriebsvorrichtung ist in ihrer Verläßlichkeit verbessert und das Betriebsgeräusch minimal.

Die Reibantriebsvorrichtung umfaßt ein Treibrad, das mit einem Antriebsmotor verbunden ist, ein getriebenes Rad, das mit einer Ausgangswelle verbunden ist, wobei das antreibende und das getriebene Rad relativ zueinander und in tangentialer Beziehung mit den Mittelachsen der Räder beweglich angeordnet sind, wobei der Tangentialpunkt längs einer geraden Linie angeordnet ist, die sich durch die Mittelachsen erstreckt. Ein Druckrad ist zum tangentialen Eingriff mit dem treibenden oder getriebenen Rad und auf der gegenüberliegender Seite des anderen Rades zu dem einen Rad angeordnet, um zwischen dem treibenden und

getriebenen Rad an dem Tangentialpunkt Druck auszuüben. Druckerzeugende Mittel regulieren die Druckhohe, die durch das Druckrad auf das treibende oder getriebene Rad ausgeübt wird.

Die Erfindung betrifft ferner ein Servosystem mit einer geschlossenen Schleife, umfassend einen Servomotor und einen Reibantrieb zum Bewegen eines Ausgangselementes zwischen einer Vielzahl von Positionen entsprechend einem Eingangspositionssteuersignal. Abtastmittel sind vorgesehen, um ein Rückkopplungssignal zu erzeugen, das die Ausgangselementbewegung durch den Reibantrieb darstellt, wobei Summiermittel das Rückkopplungssignal zum Erzeugen eines Positionsfehlersignals empfangen, das den Servomotor antreibt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Fotoplotters, bei dem eine

erfindungsgemMBe Vorrichtung verwendet wird.
Fig. 2 zeigt eine Frontansicht einer bevorzugten Ausführungsform der in

dem Fotoplotter verwendeten Vorrichtung.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt entsprechend der Linie 3-3 von Fig. 2.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt längs der Linie 4-4 von Fig. 3.

Fig. 1 zeigt einen Fotoplotter Io mit Reibantriebvorrichtungen 21 und 29, die gemäß der Erfindung ausgebildet sind.. Der Fotoplotter Io positioniert automatisch einen optischen Fotokopf 11 und eine Filmplatte F relativ zueinander entsprechend einem gewünschten Arbeitsprogramm, um auf den Film Linien und Symbole mit einer ' Genauigkeit von + o,oo2 Zoll aufzubringen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Fotoplotteranwendung begrenzt, sondern kann auch in anderen Geräten eingesetzt werden, wo entsprechende Antriebe benötigt werden.

Der in Fig. 1 dargestellte Fotoplotter umfaßt einen stationären Irägerrahmen 12 mit Beinen 13, eine Trägerplatte 14 und eine darüber befindliche Brücke 15. Die Brücke 15 ist fest 'mit dem Rahmen 12 verbunden und überspannt den Mittelbereich der Trägerplatte 14.

Ein Arbeitstisch 16 besitzt eine Arbeitsfläche, auf der die Filmplatte F

stationär gehalten wird. Der Arbeitstisch 16 ist auf einem Lagerblock montiert, der fest mit der Unterseite des Arbeitstisches 16 verbunden und in Richtung der X-Koordinate durch ein Paar von Schienen 17, 18, die auf der Trägerplatte 14 befestigt sind, geführt ist.

Die Bewegung des Arbeitstisches 16 in Richtung der X-Koordinate wird durch einen X-Antriebsmotor 19 erzeugt, wobei eine einzelne Leitspindel 2o durch eine Reibantriebsvorrichung 21 und eine Kugelmutter (nicht dargestellt), die mit der Unterseite des mittleren Teils des Arbeitstisches 16 verbunden ist, gedreht wird. Die Antriebsvorrichtung 21 befindet sich in einem Gehäuse 4o, das an dem stationären Träger rahmen 12 befestigt ist.

Der Antriebsmotor 19 ist mit einer Plotsteuerung 22 über ein Steuersignalkabel 23 verbunden. Die Plotsteuerung 22 erzeugt Plotsteuerbefehle von einem Programmband 24 und übermittelt die Steuerbefehle auf den Antriebsmotor 19, um den Arbeitstisch 16 und den darauf befindlichen Film F in verschiedenen Stellungen längs der X-Koordinate während eines Plotvorganges zu positionieren.

Der Fotokopf 11 wird über die Filmplatte F mittels eines Schlittens 25 bewegt, der den Fotokopf 11 trägt. Der Fotokopf 11 besitzt eine optische Achse 26, die sich allgemein senkrecht zur fotoempfindlichen Oberfläche der Filmplatte F und den Achsen der X- und Y-Koordinaten erstreckt, wobei durch Aussenden eines Lichtstrahls längs der optischen Achse 26 der Fotokopf 11 die Filmoberfläche entsprechend belichtet. Die Belichtung kann auftreten, während sich die Filmplatte F und der Fotokopf 11 relativ zueinander bewegen, so daß eine kontinuierliche Linie erzeugt wird.

Der Schlitten 25 ist auf der Brücke 15 zur Bewegung längs der Brücke in der Richtung der Y-Koordinante mittels eines Y-Antriebsmotors 27 montiert, wobei eine einzelne Leitspindel 28 durch die Reibantriebsvorrichtung 29 und eine Kugelmutter 3o, die an dem Schlitten 25 befestigt ist, gedreht wird. Die Antriebsvorichtung 29 ist in einem Gehäuse 57 angeordnet, das auf der Brücke 15 montiert ist. Steuersignale, die vom Programmband 24 abgeleitet werden, werden durch die Plotsteuerung 22 auf den Y-Antriebsmotor 27 gegeben, um den Fotokopf 11 in Längsrichtung längs der Brücke 15 relativ zu der Filmplatte F zu positionieren. Zusammengesetzte Bewegungen der Filmplatte F und des Fotokopfes 11 über die X- und Y-Antriebsmotoren 19, 27 ermöglichen es, daß der Fotokopf 11 irgendeinen Bereich der fotoempfindlichen Oberfläche der Filmplatte F belichtet.

Bewegungen des Fotokopfes 11 und des Arbeitstisches 16 werden mit Hilfe eines Laser-Interferometersystems gemessen, um genau einen Plot auf der Filmplatte F zu belichten. Das Interferometersystem ist ein Zweiachsensystem zum Messen der Bewegung sowohl in X- als auch in Y-Koordinatenrichtung und umfaßt einen Heliumneon-Laser 31, der auf der Trägerplatte 14 zum Erzeugen eines

Laserstrahls montiert ist, der verwendet wird, längs beider Koordinatenachsen zu messen, wobei ein X-Achsen-Fotodetektor in dem Laser und ein Y-Achsen-Fotodetektor in dem Laser zum Messen der Bewegungen längs der X- und X-Achse vorgesehen sind. Der erzeugte Laserstrahl wird auf einen Strahlspalter (nicht dargestellt) übertragen, der auf der Brücke 15 montiert ist. Der Strahlspalter richtet einen Teil des Strahls zum X-Achsen-Interferometer 32, das auf dem Schlitten 25 montiert ist, und einen anderen Teil des Strahls auf das Y-Achsen-Interferometer 33, das auf der Brücke 15 montiert ist. Das X-Achsen-Interferometer 32 arbeitet mit einem entfernten langgestreckten Spiegel 34, der auf dem Arbeitstisch 16 an einer Kante hiervon montiert ist, und besitzt eine Meßachse 35, die sich zwischen dem Interferometer 32 und dem langgestreckten Spiegel 34 in der dargestellten X-Richtung erstreckt. Die reflektierende Oberfläche des Spiegels 34 steht senkrecht zu der Meßachse 35 und ist in der Y-Richtung langgestreckt, so daß die Meßachse die reflektierende Oberfläche an jeder Position des Schlittens 25 längs der Leitspindel 28 schneidet.

Das Y-Achsen-Interferometer 33 besitzt eine Meßachse 36, die sich zwischen dem Interferometer und einem Retroreflektor 37 erstreckt, der auf dem Schlitten 25 montiert ist. Da sich der Schlitten 25 in Richtung der Y-Koordinate parallel zur Meßachse 36 bewegt, ist der Retroreflektor 37 nicht langgestreckt und schneidet die Meßachse 36 in jeder Position des Schlittens 25 und des Arbeitstisches 16.

Unter Meßachse wird diejenige Achse verstanden, längs der ein Interferometer einen Strahl oder Strahlen von kohärentem Licht zu einem entfernten Reflektor zum Zwecke des Messens der relativen Bewegung zwischen dem Interferometer und dem Reflektor aussendet. Die Meßachse kann die Mittellinie zwischen zwei oder mehr parallelen Lichtstrahlen sein, wobei die Strahlen an Stellen zwischen dem Interferometer und dem Reflektor abgelenkt werden können, so daß die Meßachse in zwei oder mehr Abschnitte, die sich in verschiedene Richtungen erstrecken, geknickt sein kann. Unter "Schneiden" versteht man die geometrische Bedingung, bei der eine Linie odör eine Verlängerung dieser Linie durch einen bestimmten Punkt, Linie oder Ebene verläuft.

In den Figuren 2 bis 4 ist die X-Achsen-Reibantriebsvorrichtung 21, die in dem Gehäuse 4o angeordnet ist, dargestellt, wobei die Reibantriebsvorrichtung 29 im Gehäuse 57, das auf der Brücke 15 montiert ist, entsprechend aufgebaut ist und arbeitet.

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Der X-Antriebsmotor 19 ist an einem Pendel trägerrahmen 41 montiert, der am besten aus den Fig. 2 und 4 ersichtlich ist. Der Pendelrahmen 41 ist mit einem Ende an einem biegsamen Gelenk 44 befestigt. Hierunter wird ein elastisches einstückiges Gelenk verstanden, das gebildet wird durch Schwächen von genau gegenüberliegenden Seiten eines Teils durch Ausbildung von Nuten oder Kanälen. Ein derartig hergestelltes Gelenk ermöglicht es dem Teil, um eine Schwenkachse zu schwenken, und ist genügend fest, um als Träger zu funktionieren. Das gegenüberliegende Ende des biegsamen Gelenks 44 ist an einem Schaft 45 befestigt, der sich durch den Rahmen 3o erstreckt. Der Schaft 45 wird durch eine Haltemutter oder einen Ring 46 gehalten. Der Rahmen 41 ist um die Mittellinie 47 des Schaftes 45 drehbar, um die Ausrichtung mit der Reibantriebsvorrichtung 21 zu erleichtern, wie nachstehend näher erläutert wird. Die Schwenkmöglichkeit des biegsamen Gelenks 44 ermöglicht eine begrenzte bogenförmige seitliche Bewegung des Pendelrahmens 41 und des damit verbundenen X-Antriebsmotors 19.

Die Reibantriebsvorrichtung 21 besitzt ein Reibrad 43, das auf der Antriebswelle 42 des X-Antriebsmotors 19 montiert ist, und ein durch Reibschluß getriebenes Rad 38, das mit einer Ausgangswelle oder der Leitspindel 2o, die in Fig. 2 gestrichelt dargestellt ist, verbunden ist. Die Leitspindel 2o ist in üblicher Weise etwa über ein Kugellager 39 in dem Trägerrahmen 12 montiert. Eine solche Anordnung verhindert eine seitliche Bewegung der Leitspindel 2o, während eine Rotation der Leitspindel 2o erlaubt wird.

Das Antriebsrad 43 wird durch den Motor 19 auf einer Seite des getriebenen Rades in tangentialem Eingriff gehalten und kann bezüglich des getriebenen Rades 38 durch die seitliche Bewegung des Pendelrahmens 41 hin- und herbewegt werden.

Ein Druck rad 49 ist drehbar in einem Joch 5o an einer Seite des Antriebsrades 43 gegenüber von dem getriebenen Rad 38 angeordnet. Das Joch 5o ist fest mit dem oberen Ende eines beweglichen Arms 58 verbunden, der nahe seinem gegenüberliegenden unteren Ende ein biegsames Gelenk 51 aufweist. Das angelenkte Ende des Arms 58 ist an* dem Rahmen 4o durch Schrauben 52 befestigt, um eine axiale Ausrichtung des Druckrades 49 und des Antriebsrades 43 zu ermöglichen, um den Oberflächenkontaktbereich zu maximieren und eine gleichmäßige Abnützung zu fördern. Die Schwenkwirkung des biegsamen Gelenks 51 erlaubt eine begrenzte seitliche Bewegung des Armes 58, des Jochs 5o und des Druckrades 49 zum Antriebsrad 43 bzw. von diesem weg.

Wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich ist, sind die axialen Enden des Druckrades 49 mit Flanschen versehen, die Ränder 56 haben, die einen Flächenkontakt auf dem Antriebsrad 43 an Stellen auf beiden Seiten des Oberflächenbereichs liefern, der mit dem Antriebsrad 38 in Kontakt steht.Die Räder bestehen aus nichtrostendem Stahl mit einer Rockwell-Härte von 55 bis 6o, um einen minimalen peripheren Flächenabrieb,und um bevorzugt Reibflächenkontakt zur Antriebsmomentübertragung zwischen dem treibenden und getriebenen Rädern zu erhalten.

Ein federvorgespannter Stößel 54 ist in dem Rahmen 4o montiert und übt eine Kraft auf den beweglichen Arm 58 in einer Richtung aus, die das Druckrad 49 in Kontakt mit der Randfläche des Treibrades 43 drückt. Die elastische Aufhängung des Motors 19 durch den Pendelrahmen 41 erlaubt es, daß das Antriebsrad 43 seinerseits mit der Randfläche des getriebenen Rades 38 zur Reibmomentübertragung gedrückt wird. Eine Druckeinstellschraube 55 ermöglicht ein Vergrößern oder Verkleinern des Drucks des federvorgespannten Stößels 54, um die auf den Arm 58 und damit zwischen den Rädern 38 und 43 ausgeübte Kraft einzustellen. Ein Vergrößern der Kraft auf den Arm 58 bewirkt, daß das Druckrad 49 eine größere Kraft an einer tangentialen Stelle zwischen den beiden Rädern 38 und 43 mit sich bringt. Die Anordnung des Druckrades und des federvorgespannten Stößels 55 in der

Q gleichen Ebene mit dem angetriebenen und dem getriebenen Rad eliminiert ferner

Biegebeanspruchungen in der Motorwelle 42 des Motors 19.

Das Treibrad 43 überträgt maximales Moment auf das getriebene Rad 38, wenn die Achsen der beiden Räder perfekt parallel ausgerichtet sind, da maximale Reibung auftritt, wenn der Flächenkontaktbereich zwischen den beiden Rädern am größen ist. Die Ausrichtung wird durch Drehen des Pendelrahmens 43 um die Mittellinie 47 des Schaftes 45 vorgenommen, um die Treibradachse in parallele Ausrichtung mit der Achse des getriebenen Rades zu bringen. Die Fluchtung wird durch eine Schraube 48 in dem Ring 46 gehalten, die gegen den Schaft 45 festgezogen wird, und wird permanent durch Befestigen des Schaftes 45 an dem

;q Rahmen 4o mittels einer Schraube·'53 gehalten. Obwohl etwas Schlupf zwischen dem treibenden und dem getriebenen Rad auftreten kann, ist der Betrag hiervon minimal und nicht von Folgen in Anwendungen auf positioneile Rückkopplungssysteme.

Eine derartige Reibantriebsvorrichtung beseitigt Probleme, die durch Anregung in Zahntriebvorrichtungen auftreten, die in Hochgeschwindigkeits- und

;5 Hochgenauigkeitsservosystemen verwendet werden. Resonanz- und Geräuschquellen werden minimalisiert oder eliminiert und das dynamische Verhalten sowohl der

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Antriebsvorrichtung als auch des getriebenen Gerätes werden verbessert.

Das Druckrad 49 kann auch so angeordnet werden, daß es ein beweglich gehaltenes getriebenes Rad 38 gegen ein festmoniertes Antriebesrad 43 drückt. Die Gelenkfunktion der biegsamen Gelenke 44 und 51 kann auch durch Stiftlagergelenke ausgeübt werden.

Claims

DIPL.-ING. H. MARSCHiM1-Im -*· "" ** "iboo ibssELDORF ι DIPL.-ING. K. SPARING rethelstrasse 123 χ.ττν«ϊ TlT? W TT ΤϊΛΤΓΤ POSTFACH 140268 XIlX*Jj."JrXl 1 O. JJiX. W . H. XtOXlSu TELEFON (O211) 671Ο34 PATENTANWÄLTE TELEX 858 2542 SPHO D ZUOCL. TXKTBKTSR BSIK XUKOPltSCXZ» 7ATINTiMT The Gerber Scientific Instrument Company, 83 Gerber Road West, South Windsor, Conn. o6o74, USA Patentansprüche

1. J Reibantriebsvorrichtung in einer Antriebskette mit einer Eingangs- und rer Ausgangswelle (42, 2o), einem angetriebenen Rad (38), das mit der

Ausgangswelle (2o) zum Übertragen einer Antriebsdrehbewegung auf die Ausgangswelle (2o) verbunden ist, einem treibenden Rad (43), das mit der Eingangswelle (42) zum Übertragen der treibenden Drehbewegung von der Eingangswelle (42) verbunden ist, wobei das treibende Rad (43) und das getriebene Rad (38) in tangentialer Beziehung mit den Achsen der Räder (43, 38) montiert sind und der Berührungspunkt auf einer geraden Linie angeordnet ist, die sich durch die Achsen der Räder (43, 38) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckrad

(49) zum tangentialen Eingriff mit einem der Räder (43 oder 38) und allgemein auf der Seite (43 oder 38) angeordnet ist, die dem anderen Rad (38 oder 43) gegenüberliegt, wobei ein erster Träger (5o) das Druckrad (49) begrenzt bezüglich des Rades (43 oder 38) beweglich hält, ein zweiter Träger (41) das eine Rad (43 oder 38) bezüglich des anderen Rades (38 oder 43) wenigstens begrenzt beweglich hält, so daß das Druckrad (43) am Berührungspunkt zwischen dem treibenden und dem getriebenen Rad (43, 38) Druck ausüben kann, und ein Druckerzeuger (54) zum Drücken des Druckrades (49) gegen das eine Rad (43 oder 38) zum Erzeugen des Drucks zwischen dem treibenden und dem angetriebenen Rad (43, 38) an dem Berührungspunkt hierzwischen und zum Ermöglichen der Übertragung des Antriebsmomentes von dem treibenden Rad (43) auf das getriebene Rad (38) durch Reibung vorgesehen ist.

2. Reibantriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Träger (12) zum Halten des anderen Rades (38 oder 43) stationär relativ zu dem zweiten Träger (41) und zum Ermöglichen des Drehens des anderen Rades (43,

38) vorgesehen ist.

3. Reibantriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Träger (5o) einen beweglichen Arm (58) umfaßt, der an einem dritten