DE3620122A1

DE3620122A1 - Actuating drive

Info

Publication number: DE3620122A1
Application number: DE19863620122
Authority: DE
Inventors: Werner Dr Ing Auer; Hans-Holger Ing Grad Schulz; Gerhard Dipl Ing Nieder; Hartmut Dipl Ing Hoffmann
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1985-06-21
Filing date: 1986-06-14
Publication date: 1987-01-02

Abstract

An actuating drive is proposed for producing a linear motion with high resolution. A stepping motor 1 of the swashplate motor type, in the case of which an axial tooth system 12 of the rotor 11 is sequentially engaged with a tooth system 11 on the stator side, drives a recirculating ball nut 2. The latter converts the rotor movement into a longitudinal movement by means of a spindle 3. In order to guide the spindle 3 without any play, a second recirculating ball nut 16 is clamped to the first recirculating ball nut 2. Both the attachment of the drive to a holder and its attachment to the part which is to be actuated are provided with a universal joint. These joints are installed with cross-spring joints which carry out small tilting movements very precisely. The motor can be designed in a redundant manner by arranging a second coil circuit. In consequence, a more reliable and higher precision actuating drive is created. At the same time it is distinguished by a compact construction. <IMAGE>

Description

State of the art

Die Erfindung betrifft einen Stellantrieb.The invention relates to an actuator.

Stellantriebe sind in allgemeinen bekannten Arten mit pneumatischer, hydraulischer oder elektromotorischer Betätigung versehen und dienen zur begrenzten Bewegung von Klappen o. ä. Werden exakt definierte und reproduzierbare Stellbewegungen bei gleichzeitig hoher Auflösung ge fordert, so erweist sich die Verwendung eines Elektromotors mit nachgeschaltetem Untersetzungsgetriebe als günstig. Andererseits ist jedoch der Aufwand an mechanischen Elementen bei dieser Ausführungsart beträchtlich. Außerdem entsteht durch das Zahnspiel in einem Getriebe ein beträchtlicher Fehler; auch der Dynamikbereich ist sehr stark begrenzt.Actuators are of generally known types with pneumatic, Provide and serve hydraulic or electromotive actuation for limited movement of flaps or the like. Are exactly defined and reproducible positioning movements with high resolution demands, the use of an electric motor proves to be downstream reduction gear as cheap. On the other hand however, the expenditure on mechanical elements in this embodiment considerably. In addition, the backlash in a gearbox creates a considerable mistake; the dynamic range is also very strong limited.

Advantages of the invention

Ein Stellantrieb mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber wesentliche Vorteile in bezug auf Genauigkeit und Kom paktheit.An actuator with the characteristic features of the main claim has significant advantages in terms of accuracy and com accuracy.

Durch die Verwendung eines Taumelscheibenmotors mit hoher Zähnezahl wird eine sehr hohe Auflösung ohne die Verwendung eines Getriebes erreicht. Damit entfällt auch eine große Anzahl beweglicher Teile. Übrig bleibt davon lediglich der Rotor und die mit dem Rotor über eine Kugelumlaufmutter verbundene Gewindespindel.By using a swashplate motor with a high number of teeth becomes a very high resolution without the use of a gear reached. This also eliminates a large number of moving parts. All that remains is the rotor and the one with the rotor Ball screw connected threaded spindle.

Die Anwendung von Kugelumlaufmuttern mit zugehöriger Spindel führt zu einer reibungsarmen Bewegungsübertragung. Durch die Verwendung von zwei Kugelumlaufmuttern, die, miteinander verspannt, Spielfreiheit gewähr leisten; günstigerweise sind aus dem gleichen Grund auch zwei Kugella ger für die Lagerung des Rotors am Stator vorgesehen, die ebenfalls miteinander verspannt sind.The use of recirculating ball nuts with associated spindle leads to a low-friction motion transmission. By using two Recirculating ball nuts, which, when clamped together, ensure freedom from play Afford; two Kugella are also convenient for the same reason ger provided for the storage of the rotor on the stator, which also are tense together.

Desweiteren ist die flache und raumsparende Bauweise des Taumelschei benmotors ein wesentlicher Vorteil gegenüber den bisher verwendeten Motor-Getriebekombinationen. Der Motor läßt sich in einfacher Weise dadurch redundant und damit äußerst zuverlässig aufbauen, derart, daß zu den Motorspulen ein zweiter Spulensatz neben den Motorspulen auf deren Teilkreis angeordnet wird. Bei Ausfall einer oder mehrerer Spulen kann ohne besonderen Aufwand der zweite Spulensatz angesteuert werden. Die Funktion des Motors bleibt gewährleistet.Furthermore, the flat and space-saving design of the swashplate benmotors a significant advantage over the previously used Motor-gear combinations. The engine can be easily thereby build up redundant and therefore extremely reliable, such that a second coil set next to the motor coils for the motor coils whose pitch circle is arranged. If one or more coils fail the second set of coils can be controlled without any special effort. The function of the engine remains guaranteed.

Schließlich ist die Verwendung einer Membranfeder mit radial gerichte ten Lamellen zur Drehsicherung der Spindel von Vorteil. Solche Membran federn weisen eine hohe Torsionssteifigkeit bei gleichzeitig hoher axialer Nachgiebigkeit auf. Außerdem wird durch diese Feder eine Kap selung der Spindel außerhalb des Motorgehäuses erreicht.Finally, the use of a diaphragm spring with radial direction lamellas to secure the spindle against rotation are an advantage. Such membrane springs have high torsional stiffness combined with high axial compliance. In addition, a cap the spindle outside the motor housing is reached.

Durch eine kardanische Lagerung des Stellantriebs und eines kardanisch ausgebildeten Flanschs zum Befestigen des zu stellenden Teils wird die Möglichkeit geschaffen, Kippbewegungen zu erzeugen. Dies ist beispielsweise dort erforderlich, wo mittels der Anwendung zweier oder mehrerer Stellantriebe die Ausrichtung einer Antenne o. ä. vorgenommen werden soll.Through a gimbal mounting of the actuator and a gimbal trained flange for attaching the part to be provided Possibility created to generate tilting movements. This is for example where necessary by using two or several actuators to align an antenna or the like shall be.

Eine vorteilhafte Anwendung des Stellantriebs zeigt sich beispiels weise in der Raumfahrttechnik. Dort müssen Antennen oder Nachführ mechanismen an Satelliten mit hoher Präzision ausgerichtet werden. Hierbei finden zwei der beschriebenen Stellantriebe in Verbindung mit einem Kardangelenk in einer Dreipunktanordnung für das auszurichtende Teil Verwendung. Das Kardangelenk beinhaltet gleichzeitig zwei Abgriffe, z. B. in der Art eines Differentialtransformators und ist so mit in der Lage Kippbewegungen in beiden Achsen, ausgelöst durch die beiden Stellantriebe zu sensieren. Alternativ hierzu oder, auch als Ergänzung können die Stellantriebe mit Abgriffen ausgerüstet sein. Dies läßt sich ebenfalls mit hoher Genauigkeit dadurch verwirklichen, daß der Motor einen sogenannten O-Stellungsabgriff aufweist, d. h., in einer bestimmten Zuordnung von Stator und Rotor wird ein Signal erzeugt. Durch das hohe Untersetzverhältnis zwischen der Taumelbewegung und der Rotordrehung wird eine hochauflösende Messung der Verstellung erreicht.An advantageous application of the actuator is shown, for example wise in space technology. There must be antennas or tracking mechanisms are aligned with satellites with high precision. Two of the described actuators are used in conjunction with a universal joint in a three-point arrangement for what is to be aligned Part use. The universal joint contains two at the same time Taps, e.g. B. in the manner of a differential transformer and is so with capable tilting movements in both axes, triggered by the to sense both actuators. Alternatively, or, also as The actuators can also be equipped with taps. This can also be realized with high accuracy in that the motor has a so-called O position tap, d. that is, in a A specific assignment of the stator and the rotor generates a signal. Due to the high reduction ratio between the wobble and the Rotor rotation, a high-resolution measurement of the adjustment is achieved.

Zur näherungsweisen Bestimmung des Spindelhubs läßt sich auch ein einfacher Längsbewegungssensor in den Aufbau integrieren. Dieser läßt sich zur Feinmessung der Stellbewegung in einfacher Weise mit dem O- Stellungsabgriff verknüpfen.An approximate determination of the spindle stroke can also be made simple integration of longitudinal motion sensor into the body. This leaves for fine measurement of the actuating movement in a simple manner with the O- Link position tap.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und aus den Unteransprüchen.Further advantages of the invention result from the description and from the subclaims.

drawing

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenEmbodiments of the invention are shown in the drawings and explained in more detail in the following description. Show it

Fig. 1 den Aufbau des Stellantriebs im Teilschnitt, Fig. 1 shows the structure of the actuator, in partial section,

Fig. 2 den Stellantrieb in Draufsicht, Fig. 2 shows the actuator in plan view;

Fig. 3a/b die Anwendung zweier Stellantriebe zur Ausrichtung einer Antenne. Fig. 3a / b the use of two actuators for aligning an antenna.

Die Fig. 1 zeigt den Motor 1 des Stellantriebs, eine Kugelumlaufmutter 2 mit zugehöriger Spindel 3, eine statorseitige 4 und eine abtriebsseiti ge 5 kardanische Lagerung und einen Federbalg 6. Der Motor 1 zeigt ein Statorgehäuse 7, in welchem im äußeren Durchmesserbereich mehrere Spu len 9 (beispielsweise acht) über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Die Spulen 9 sind mit einem Rückschlußelement 8 ver sehen. An dem Statorgehäuse ist eine axial gerichtete Verzahnung 10 angeordnet, der eine Verzahnung 12 auf dem Rotor 11 gegenübersteht. Der Rotor ist eine flache Scheibe, die über ein kippelastisches Element 13, beispielsweise eine Federblechscheibe, mit der Kugelumlaufmutter 2 ver bunden ist. Fig. 1 shows the motor 1 of the actuator, a ball nut 2 with associated spindle 3 , a stator 4 and an abtriebsseiti ge 5 gimbal and a bellows 6th The motor 1 shows a stator housing 7 , in which several coils 9 (for example eight) are arranged uniformly distributed over the circumference in the outer diameter region. The coils 9 are seen with a yoke element 8 ver. An axially directed toothing 10 is arranged on the stator housing and is opposed to a toothing 12 on the rotor 11 . The rotor is a flat washer, which is connected to the ball nut 2 via a tilting element 13 , for example a spring steel washer.

Durch Ansteuerung einer oder mehrerer benachbarter Spulen 9 wird die Verzahnung des Rotors 11 mit der Verzahnung 10 des Statorgehäuses 7 in Eingriff gebracht. Ein nacheinander abwechselndes Ansteuern der Spulen 9 bewirkt ein Abrollen des Rotors auf dem Statorgehäuse. Durch unterschiedliche Zähnezahlen der beiden Verzahnungen wird eine Dreh bewegung des Rotors erzeugt. Nähere Hinweise über die Funktion des Motors sind beispielweise der DE-OS 30 18 738 zu entnehmen. Der Motor enthält weiterhin einen Nullpunktabgriff 14 mit dem die Nullstellung des Rotors festgestellt werden kann; außerdem können zwischen den ein zelnen Spulen weitere Spulen eingesetzt werden, die beispielsweise aus Redundanzgründen erforderlich sind. Dieser zweite Spulensatz kann die Spulen 9 ersetzen. Die Ansteuersignale werden zu diesem Zweck auf den zweiten Spulensatz geschaltet. Damit wird ein zweiter Motor überflüs sig. Die Forderung nach Redundanz wird vor allem bei Raumfahrtanwen dungen gestellt, wobei gleichzeitig gewicht- und raumsparende Forderungen mit dieser Lösung erfüllt werden können.By activating one or more adjacent coils 9 , the toothing of the rotor 11 is brought into engagement with the toothing 10 of the stator housing 7 . An alternating activation of the coils 9 causes the rotor to roll on the stator housing. A rotational movement of the rotor is generated by different numbers of teeth of the two toothings. Further information on the function of the engine can be found, for example, in DE-OS 30 18 738. The motor also contains a zero point tap 14 with which the zero position of the rotor can be determined; In addition, additional coils can be used between the individual coils, which are required for reasons of redundancy, for example. This second coil set can replace the coils 9 . The control signals are switched to the second coil set for this purpose. This makes a second motor superfluous. The requirement for redundancy is primarily made for space applications, while weight and space-saving requirements can also be met with this solution.

Die Kugelumlaufmutter 2, an welcher der Rotor befestigt ist, wird durch zwei miteinander verspannte Kugellager 15 dem Statorgehäuse zugeordnet und setzt die rotatorische Bewegung in Verbindung mit der Spindel 3 in eine translatorische Bewegung um. Zur Erzielung einer spielfreien Axialbewegung der Spindel ist eine zweite Kugelumlaufmutter 16 mit der ersten Kugelumlaufmutter 2 verspannt. Außerdem sind aus dem gleichen Grund die beidenKugellager 15 miteinander verspannt. An dem linkssei tigen Ende der Spindel 3 ist ein Anschlag 17 gezeigt. An dem rechtssei tigen Ende ist eine kardanische Lagerung 5 mit einem daran befestigten Flansch 18 und ein Anschlag (nicht gezeigt) angeordnet. Die kardanische Lagerung 5 besteht aus zwei axial übereinander und um 90° verdreht an geordneten Kreuzfedergelenken 19/20, wie sie beispielsweise aus der DE-PS 11 97 299 bekannt sind. Die Spindel 3 und Lagerung 5 sind umgeben von dem metallischen Federbalg 6, der gleichzeitig eine verdrehsichere Verbindung zwischen dem Statorgehäuse 7 und dem Flansch 18 herstellt. Damit wird eine zusätzliche Verdrehsicherung an der Spin del 3 überflüssig.The ball nut 2 , to which the rotor is fastened, is assigned to the stator housing by means of two ball bearings 15 braced together and converts the rotational movement in connection with the spindle 3 into a translatory movement. In order to achieve a play-free axial movement of the spindle, a second ball nut 16 is braced with the first ball nut 2 . In addition, for the same reason, the two ball bearings 15 are clamped together. At the left end of the spindle 3 , a stop 17 is shown. At the right-hand end, a gimbal 5 is arranged with a flange 18 attached thereto and a stop (not shown). The cardanic bearing 5 consists of two axially one above the other and rotated by 90 ° on ordered cross spring joints 19/20 , as are known for example from DE-PS 11 97 299. The spindle 3 and bearing 5 are surrounded by the metallic bellows 6 , which at the same time creates a torsion-proof connection between the stator housing 7 and the flange 18 . This eliminates the need for an additional anti-rotation device on the Spin del 3 .

Zur Befestigung des Statorgehäuses an einer Aufnahme o. ä. ist ebenfalls eine kardanische Lagerung 4 mit Kreuzfedergelenk 21, 22 vorgesehen. Die Kreuzfedergelenke 21 verbinden hierbei, wie in Fig. 2 gezeigt, das Sta torgehäuse 7 mit einem Zwischenrahmen 23, an dem die Kreuzfedergelenke 22 angeordnet sind. Diese weisen zwei Flanschstücke 24, 25 auf, die mit Gewindebohrungen versehen sind und die Verbindungsstelle zu der Auf nahme bilden. Mit einem Stecker 26 wird die elektrische Verbindung des Motors 1 zu einer hier nicht dargestellten Ansteuerelektronik hergestellt. Selbstverständlich kann der Stellantrieb auch ohne die Verwendung einer oder beider kardanischen Lagerungen verwendet werden. Diese bezwecken nur einen Ausgleich zwischen der Aufnahme des Stellan triebs und des zu stellenden Teils und können natürlich auch durch an dere geeignete Maßnahmen, wie Kugelgelenk o. ä., ersetzt werden.A gimbal bearing 4 with a cross spring joint 21, 22 is also provided for fastening the stator housing to a receptacle or the like. The cross spring joints 21 here, as shown in Fig. 2, the Sta torgehäuse 7 with an intermediate frame 23 on which the cross spring joints 22 are arranged. These have two flange pieces 24, 25 which are provided with threaded holes and form the connection point to the acquisition. The electrical connection of the motor 1 to control electronics (not shown here) is established with a plug 26 . Of course, the actuator can also be used without the use of one or both gimbal bearings. These only aim to balance the inclusion of the actuator and the part to be provided and can of course also be replaced by other suitable measures, such as a ball joint or the like.

In den Fig. 3a und 3b ist die Anwendung zweier Stellantriebe gezeigt. Die Anordnung zeigt das Befestigungsteil 28 eines Parabolspiegels, das einstellbar mit einem Trägerteil 31 verbunden ist. Wie aus Fig. 3b ersichtlich ist (eine Draufsicht aus der Richtung des Spiegels ohne Darstellung desselben), wird der Spiegel an drei Punkten befestigt. Zwei Befestigungspunkte sind durch die Stellantriebe 29, 29 a gegeben, der dritte Befestigungspunkt ist ein um zwei Achsen drehbares Gelenk lager 30, wobei hier ebenfalls eine kardanische Lagerung mit Kreuz federgelenken zum Einsatz gelangt. Gleichzeitig ist jeder Achse dieses Gelenklagers 30 ein präziser Winkelabgriff zugeordnet. Diese Abgriffe werden zur Feststellung der Ausrichtung des Parabolspiegels verwendet und können über Regelkreise die Motoren der Stellantriebe steuern. Bei Ansteuerung beider Motoren mit gleichem Richtungssinn wird eine Dreh bewegung um die Y-Achse und bei Ansteuerung derselben mit unterschiedlichem Richtungssinn eine Drehbewegung um die X-Achse bewirkt. Damit ist die Anordnung in der Lage, den Parabolspiegel innerhalb eines begrenzten Schwenkbereichs in jeder Stellung zu fixieren.In FIGS. 3a and 3b the use of two actuators is shown. The arrangement shows the fastening part 28 of a parabolic mirror which is adjustably connected to a carrier part 31 . As can be seen from Fig. 3b (a plan view from the direction of the mirror without showing the same), the mirror is attached at three points. Two attachment points are given by the actuators 29, 29 a , the third attachment point is a pivot bearing 30 which can be rotated about two axes, a cardan bearing with cross spring joints also being used here. At the same time, each axis of this spherical bearing 30 is assigned a precise angle tap. These taps are used to determine the alignment of the parabolic mirror and can control the motors of the actuators via control loops. When both motors are actuated with the same direction of rotation, a rotary movement around the Y axis and when actuated with a different direction of rotation, a rotational movement about the X axis is effected. The arrangement is thus able to fix the parabolic mirror in any position within a limited swivel range.

1 engine
2 recirculating ball nuts
3 spindle
4 storage
5 storage
6 bellows
7 stator housing
8 inference element
9 coils
10 toothing (stator)
11 rotor
12 toothing (rotor)
13 tilt-elastic element
14 zero point tap
15 ball bearings
16 recirculating ball nut
17 stop
18 flange
19 cross spring joint
20 cross spring joint
21 cross spring joint
22 cross spring joint
23 intermediate frame
24 flange piece
25 flange piece
26 connector
27 cover
28 fastening part
29 actuator
29 a actuator
30 spherical bearings
31 carrier part
32 stator

Claims

1.Actuator characterized by the combination of the following features:

- A stepper motor ( 1 ) which is designed as a swashplate motor which is flat in the direction of the axis of rotation and has axially directed toothed rings ( 10, 12 ) which engage with one another in regions on the stator ( 32 ) and rotor ( 11 ), the difference in the number of teeth of the stator ( 32 ) and rotor ( 11 ) is at least one and the ring gear ( 12 ) of the rotor is flexible in the direction of the axis of rotation and is stiff in the circumferential direction,
a first recirculating ball nut ( 2 ) which is fixedly connected to the rotor ( 11 ) and is fixed in the axial direction but is rotatably fastened to the stator ( 32 ),
- A spindle ( 3 ) which can be driven via the ball nut ( 2 ) and is secured against rotation by means of a bellows ( 6 ) fastened to the stator ( 32 ) and
- A second ball nut ( 16 ) which is braced with the first ball nut ( 2 ).

2. Actuator according to claim 1, characterized in that the stator ( 32 ) with a cardanic bearing ( 21, 22 ) on flange pieces ( 24, 25 ) is fixed and the spindle ( 3 ) has a gimbaled flange ( 18 ) for fastening of the part to be provided.

3. Actuator according to claim 2, characterized in that at least one gimbal has at least one cross spring joint ( 19-22 ).

4. Actuator according to one of the preceding claims, characterized by the use in an alignment unit with a support part ( 31 ) for aligning an antenna parabolic mirror or the like within a certain pivoting range, two drive units forming a first and a second suspension point and their axes in are at a distance from one another and a third suspension point is formed by an articulated bearing ( 30 ).

5. Actuator according to claim 4, characterized in that the spherical bearing ( 30 ) has a tap which generates a signal proportional to the angular position of the alignment unit.

6. Actuator according to one of the preceding claims, characterized in that the stepping motor ( 1 ) holds a position tap ent, which forms a first signal at a specific assignment of rotor ( 11 ) and stator ( 32 ) and a the longitudinal movement of the spindle detecting Sensor is provided, which forms a second signal and the adjustment of the drive is determined from these signals.

7. Actuator according to claim 6, characterized in that the Resolution accuracy of the second signal within a motor rotation lies.

8. Actuator according to one of claims 1 to 7, characterized in that the rotor ( 11 ) on the stator ( 32 ) by means of two mutually braced ball bearings ( 15 ) is mounted.

9. Actuator according to one of claims 1 to 8, characterized in that the adjustment range of the spindle ( 3 ) is limited by at least one mechanical stop ( 17 ).

10. Actuator according to one of claims 1 to 9, characterized in that the bellows ( 6 ) is designed and attached such that it forms a cover of the actuator together with a housing ( 7 ) of the stator ( 32 ).