DE3731281A1 - Vorrichtung zur steuerung der linearen bewegung eines koerpers - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Steuerung der linearen Bewegung eines beweglichen Körpers, insbesondere eines Schiebers eines Meßgeräts mit sehr niedriger Reibung und hoher Präzision.

Es ist bekannt, zur Steuerung der linearen Bewegung eines beweglichen Körpers ein Schrauben-Mutterpaar zu verwenden, wobei an einem ersten der beiden Elemente der bewegliche Körper befestigt ist, während das andere Element durch ent­ sprechende Antriebsmittel in Drehung versetzt wird; normaler­ weise ist der bewegliche Körper axial mit der Schraube ver­ bunden, während die Mutter sich in bezug auf die Basis der Maschine drehen kann, aber in bezug auf die Basis selber axial gehalten wird.

Obwohl mit Steuermitteln dieses Typs sogar sehr hohe Antriebs­ kräfte auf den beweglichen Körper übertragen werden können und die Verschiebung dieses Körpers mit guter Präzision durch­ geführt werden kann, gibt es trotzdem verschiedene Nachteile. So sind ziemlich hohe Antriebskräfte auf die Mutter notwendig, man braucht zusätzliche Vorrichtungen für eine korrekte Schmierung der Kontaktoberflächen von Schraube und Mutter, und normalerweise entstehen Verformungen, die die Anwendung dieser Vorrichtung in gewissen Bereichen, z.B. bei Meßgeräten, be­ grenzen. Diese Nachteile beruhen auf der hohen Gleitreibung, die zwischen den Kontaktoberflächen der Schraube und der Mutter entsteht, insbesondere wenn zur Verschiebung des beweg­ lichen Körpers große Kräfte notwendig sind; zur Verringerung der Reibung ist eine sehr wirksame Schmierung notwendig, jedoch sind auch da für die Steuerung der Verschiebung des beweglichen Körpers ziemlich hohe Antriebsmomente notwendig, die unlässige Verformungen bewirken und die sehr große Abmes­ sungen der verschiedenen Teile der Vorrichtungen notwendig machen und sie dadurch platzaufwendig werden.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Steuerung der linearen Bewegungen eines beweglichen Körpers anzugeben, die frei von den obengenannten Nachteilen ist.

Dieses Ziel wird erreicht durch eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie ein Schrauben-Mutterpaar aufweist, wobei eines dieser Elemente mit dem Körper verbunden ist, während das zweite durch Steuermittel in Drehung versetzbar ist, daß beide Elemente mit einander entsprechend gegenüber­ liegenden Flächen versehen sind, daß mindestens ein Paar dieser Flächen so geformt ist, daß zwischen ihnen ein vorge­ gebener, eine Kammer bildender Abstand bleibt, daß eine Quelle eines unter Druck stehenden Gases oder Gasgemisches sowie Kanäle vorgesehen sind, um die Quelle mit der Kammer in Ver­ bindung zu setzen, so daß Gas unter Druck in die Kammer ein­ gespeist wird und ein Druckgaspolster zwischen den Flächen dieses Paars gebildet wird.

Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung folgt nun eine detail­ lierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen:

Fig. 1 ein Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 2 ein Teil-Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann die lineare Bewegung eines beweglichen Körpers steuern, z.B. des Schiebers eines Maschinenwerkzeugs oder eines Meßgeräts, und enthält ein Paar von Elementen in der Form einer Schraube 1 und einer Mutter 2. Eines von diesen Elementen, normalerweise die Schraube, ist in irgendeiner geeigneten Weise am beweglichen Körper befestigt, während das andere, normalerweise die Mutter, durch nicht gezeigte Mittel in Drehung versetzt wird. Das Element des Paares, welches in Drehung versetzt wird, ist axial in bezug auf den Rahmen der Maschine befestigt, zu der die Vorrichtung gehört.

Vorteilhafter- aber nicht notwendigerweise ist der Querschnitt der Gewindegänge der Schraube 1 und der Mutter 2 trapezförmig, wie in Fig. 1 gezeigt; es ist jedoch offensichtlich, daß der Querschnitt dieser Gewindegänge von anderer Form sein kann, z.B. dreieckig. Wenn der Querschnitt der Gewindegänge trapez­ förmig ist, ist jeder von diesen innen und außen von zylind­ rischen Oberflächenabschnitten 3 und seitlich von spiralför­ migen Oberflächenabschnitten 4 begrenzt; diese Oberflächen sind so geformt, daß sie einen vorbestimmten Abstand zwischen entsprechenden Oberflächen des Schraubenelements 1 und des Mutterelements 2 freilassen, wodurch eine erste spiralförmige Kammer 5 am Boden des Gewindes des Schraubenelements 1, eine zweite spiralförmige Kammer 6 an der Außenseite des Gewinde­ gangs und eine dritte und eine vierte spiralförmige Kammer 7 bzw. 8 an den Flanken der Schraube gebildet werden. Die Kam­ mern stehen, wie in Fig. 1 zu sehen, alle miteinander in Verbindung.

Die Vorrichtung enthält weiter eine Quelle von Druckgas oder einem Druckgasgemisch (nicht gezeigt) und Kanäle, die diese Quelle mit den Kammern in Verbindung setzen können, um sie mit Gas zu versorgen und ein Druckgaspolster zwischen den entsprechenden Oberflächen des Schrauben-Mutterpaars zu er­ zeugen.

Vorteilhafterweise sind diese Kanäle teilweise innerhalb der Mutter 2 ausgebildet und enthalten zwei Reihen von radialen Löchern 9 und 10. Die Löcher 9 münden in die erste Kammer 5 und die Löcher 10 münden in die zweite Kammer 6, und beide Reihen von Löchern stehen mit anderen, axialen Löchern 11 in Verbindung, die in der Mutter 2 ausgebildet sind. Aus techni­ schen Gründen sind die Löcher 9 und 10 als durchgehende Löcher in der Mutter 2 ausgebildet und werden dann mit entsprechenden Endstopfen 12 verschlossen.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 enthält die Mutter 2 eine Buchse 15 und ein Paar von Ringen 16, die axial in ihr beweg­ lich sind, und durch die Einwirkung von elastischen Mitteln axial zur Buchse in entgegengesetzte Richtungen gedrückt werden; diese Mittel können aus zwei Reihen von Federn 17 bestehen, die sich auf einem zentralen Vorsprung 18 der Buchse abstützen.

Jeder der Ringe 16 enthält mindestens einen ersten und einen zweiten zylindrischen Oberflächenabschnitt 19 bzw. 20, deren Durchmesser größer sind als die Durchmesser der zylindrischen Oberflächenabschnitte, die das Gewinde der Schraube innen bzw. außen begrenzen und die in Fig. 2 mit 21 bzw. 22 bezeich­ net sind; jeder Ring enthält weiter einen dritten spiral­ förmigen Oberflächenabschnitt 23, der seitlich neben der spiralförmigen Oberfläche 24 angeordnet ist, die das Gewinde der Schraube 1 auf einer Seite begrenzt. Die ersten, zweiten und dritten Oberflächenabschnitte 19, 20 und 23 sind so ge­ formt, daß zwischen ihnen und den entsprechenden Oberflächen der Schraube Kammern 25 für die Druckgase gebildet werden.

In jedem Ring 16 ist eine Reihe von axialen und radialen Löchern 26, 27, 28 und 29 ausgebildet, die die Druckfluid­ quelle mit den Kammern 25 in Verbindung setzen können.

Wie in Fig. 2 zu sehen, ist die Länge der Buchse 15 so ge­ wählt, daß sie im wesentlichen der Länge von drei Gewindegän­ gen der Schraube 1 entspricht, um einen zentralen Gewindegang 30 innerhalb der Buchse freizulassen und die Ringe 16 durch die Einwirkung der Federn 17 gegen die Gewindegänge 31 zu drücken, die daran angrenzen.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist wie folgt:

In Ruhestellung der Vorrichtung befindet sich kein Druckgas in den Kammern 5, 6, 7 und 8 (Fig. 1) und 25 (Fig. 2); daher können Teile der zylindrischen und spiralförmigen Oberflächen der Schraube 1 und der Mutter 2 miteinander in Berührung treten, wenn es keine weiteren äußeren Einwirkungen gibt, die diesen Zustand verhindern.

Wenn die Vorrichtung durch das Einführen von Druckgas in das Innere der Kammer in Betrieb gesetzt wird, wird ein Druckluft­ polster zwischen den entsprechenden Oberflächen der Schraube und der Mutter erzeugt, und deshalb nehmen die zwei Elemente die Stellung ein, die in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist, in der die Schraube pneumatisch in bezug auf die Mutter durch die Einwirkung des Drucks auf die zylindrischen und spiral­ förmigen Oberflächen der Schraubein der Schwebe gehalten wird. Aufgrund der im wesentlichen axialen Symmetrie dieser Oberfläche ist die Resultierende der auf sie einwirkenden Drücke praktisch null in jeder Richtung senkrecht zur Achse der Schraube, und daher ist die letztere in bezug auf die Mutter genau zentriert. Nach der Steuerung der Drehung der Mutter 2 wird nun die Bewegung der Schraube gesteuert, wie bei jedem Schraube-Mutternpaar, mit dem Unterschied jedoch, daß die zylindrischen und spiralförmigen Oberflächen der beiden Elemente daran gehindert werden, direkt miteinander in Berührung zu treten. Während der Bewegung der Schraube in bezug auf die Mutter wird das Druckgaspolster in den Kammern 5, 6, 7 und 8 (Fig. 1) und 25 (Fig. 2) im wesentlichen unver­ ändert aufrechterhalten. Es ist daher offensichtlich, daß die Bewegung der Schraube in bezug auf die Mutter mit beträchtli­ cher Präzision und mit extrem geringer Reibung durchgeführt werden kann und direkter Kontakt zwischen den Oberflächen der beiden Elemente des Paars vermieden wird.

Im Ausführungsgbeispiel nach Anspruch 2 drücken während der Ruhestellung der Vorrichtung die Federn 17 die Ringe 16 gegen die entsprechenden spiralförmigen Oberflächen 24 der Gewinde­ gänge 31 der Schraube 1. Wenn dann Gasdruck ins Innere der Kanäle 26, 27, 28 und 29 eingeführt wird, wird die von den Federn 17 ausgeübte Kraft überwunden und die Oberflächen 23 der Ringe heben von den entsprechenden Oberflächen 24 der Gewindegänge ab, so daß sich die spiralförmigen Druckluft- Kammern 25 bilden.

Es ist daher offensichtlich, daß mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht nur sehr genaue Bewegungen des von der Schraube gesteuerten beweglichen Körpers mit extrem geringer Reibung erhalten werden, sondern auch keine zusätzlichen Vorrichtungen für die Schmierung der Oberflächen der beiden Elemente des Paars erforderlich sind. Außerdem erfordert eine Steuerung der Schraubenbewegung nur sehr geringe Drehmomente an der Mutter 2. Folglich entstehen keine wesentlichen Ver­ formungen der Elemente der Vorrichtung.

Im Rahmen der Erfindung könnte die Mutter 2 der Ausführungs­ form gemäß Fig. 1 auch nicht als einstückige Buchse ausgebil­ det sein, sondern aus mehreren Sektoren bestehen, die entlang einer diametralen Ebene der Mutter getrennt sind, und sie kann weiter mit Mitteln ausgestattet werden, die die ver­ schiedenen Sektoren halten, aus denen die Mutter zusammenge­ setzt ist; eine Ausführungsform, in der die Mutter nur aus zwei entlang einer diametralen Ebene getrennten Teilen be­ steht, könnte besonders vorteilhaft sein.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Steuerung der linearen Bewegung eines Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Schrauben-Mutter­ paar (1, 2) aufweist, wobei eines dieser Elemente (1) mit dem Körper verbunden ist, während das zweite (2) durch Steuermit­ tel in Drehung versetzbar ist, daß beide Elemente mit einander entsprechend gegenüberliegenden Flächen versehen sind, daß mindestens ein Paar dieser Flächen (3, 4) so geformt ist, daß zwischen ihnen ein vorgegebener, eine Kammer (5, 6, 7, 8) bildender Abstand bleibt, daß eine Quelle eines unter Druck stehenden Gases oder Gasgemisches sowie Kanäle (9, 10, 11) vorgesehen sind, um die Quelle mit der Kammer in Verbindung zu setzen, so daß Gas unter Druck in die Kammer eingespeist und ein Druckgaspolster zwischen den Flächen (3, 4) dieses Paars (1, 2) gebildet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Schraubenwindungen des Schrauben-Mutter­ paares (1, 2) trapezförmig ist und daß jede dieser Windungen innen und außen von je einem zylindrischen Oberflächenbereich (3) und seitlich von schraubenförmigen Oberflächenbereichen (4) begrenzt ist, wobei diese Bereiche so geformt sind, daß ein gegebener Abstand zwischen einander entsprechenden Ober­ flächen der Schraube (1) und der Mutter (2) verbleibt und eine erste schraubenförmige Kammer (5) entlang des Grundes der Windungen, eine zweite schraubenförmige Kammer (6) entlang des Scheitels der Windungen und eine dritte und eine vierte schraubenförmige Kammer (7, 8) entlang den Flanken der Schrau­ benwindungen gebildet werden, die alle miteinander in Verbin­ dung stehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (9, 10, 11) die Druckfluidquelle mit der ersten und der zweiten Kammer (5, 6) in Verbindung bringen.

4. Vorrichtung nach einem beliebigen der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (9, 10, 11) in der Mutter (2) ausgebildet sind und zwei Reihen von radia­ len Löchern (9, 10) aufweisen, die in der Mutter ausgebildet sind, wobei die Löcher (9) einer der Reihen in der ersten Kammer (5) münden und die Löcher (10) der anderen Reihe in der zweiten Kammer (6) münden, und daß die radialen Löcher mit axialen Löchern (11) in der Mutter in Verbindung stehen.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Mutter (2) eine Buchse (15) und mindestens ein Paar von Ringen (16) aufweist, die axial in ihr beweglich sind und in axialer Richtung der Buchse durch die Einwirkung von elastischen Mitteln (17) in entgegenge­ setzte Richtungen gedrückt werden, wobei jeder der Ringe (16) mindestens erste und zweite zylindrische Oberflächenabschnitte (19, 20), deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der zylindrischen Oberflächenabschnitte (21, 22), die das Gewinde der Schraube (1) innen bzw. außen begrenzen, und einen dritten schraubenförmigen Oberflächenabschnitt (23) aufweist, der seitlich neben dem schraubenförmigen Oberflä­ chenabschnitt (24) angeordnet ist, welcher eine Seite des Gewindes der Schraube (1) begrenzt, wobei die ersten, zweiten und dritten Oberflächenabschnitte (19, 20, 23) so geformt sind, daß Kammern (25) für das Druckgas zwischen ihnen und den entsprechenden Oberflächen der Schraube (1) gebildet werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (26, 27, 28, 29) die Druckfluidquelle mit den Kammern (25) in Verbindung bringen.