DE69506989T2

DE69506989T2 - Stellantrieb

Info

Publication number: DE69506989T2
Application number: DE69506989T
Authority: DE
Inventors: Shigeru Sadotomo; Motohiro Senjo
Original assignee: IAI Corp
Current assignee: IAI Corp
Priority date: 1994-10-20
Filing date: 1995-10-18
Publication date: 1999-09-23
Anticipated expiration: 2015-10-19
Also published as: DE69506989D1; EP0707922A1; US5755515A; EP0707922B1; JP2965874B2; JPH08126247A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Betätigungsvorrichtung, die einen Schlitten, der auf einem Basisteil angeordnet ist, in der richtigen Richtung durch Mittel eines Rotationsantriebs bewegt. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf eine Betätigungsvorrichtung, die derart ausgebildet ist, daß das Basisteil und der Schlitten, der sich entlang des Basisteils bewegt, überwiegend aus dem gleichen Material eines Leichtmetalls oder einer Leichtlegierung hergestellt sind und nur der Teil, der mit der Bewegung einer Walze zusammenhängt, aus Stahl hergestellt ist.
Eine bekannte Betätigungsvorrichtung weist die folgende Struktur auf: Die Betätigungsvorrichtung schließt einen Servo-Motor ein, dessen Abtriebswelle über einen Kupplungmechanismus mit einer Kugelumlaufspindel verbunden ist. Die Kugelumlaufspindel ist mit einer Kugelmutter verbunden, die an dem Schlitten befestigt ist, während ihre Rotation eingeschränkt ist. Wenn der Servo-Motor in der gewünschten Richtung rotiert, dreht die Kugelumlaufspindel in der gleichen Richtung, so daß sich die Kugelmutter und der Schlitten in die richtige Richtung bewegen.
Der Schlitten bewegt sich entlang des Basisteils, das mit einem Paar Führungen versehen ist. Der Schlitten ist so angeordnet, daß er zwischen diesen Führungen bewegt werden kann. Jede Führung ist mit einer Nut ausgebildet. Der Schlitten weist außerdem ein Paar Nuten auf, die in Verbindung mit den Nuten der Führungen ausgebildet sind. Rücklaufbahnen, die jeweils mit den Nuten des Schlittens verbunden sind, sind ebenfalls in dem Schlitten ausgebildet. Eine Mehrzahl Kugeln sind als Rollkörper in beweglicher Weise zwischen diesen Rücklaufbahnen und den Führungsnuten und den Schlittennuten gehalten. Das heißt, daß der Schlitten sich entlang des Paares der Führungen bewegt, während diese Kugeln rollen und umlaufen.
Der Schlitten und das Basisteil einer typischen und herkömmlichen Betätigungsvorrichtung sind beide aus Stahl hergestellt. Fig. 11 zeigt die Struktur einer solchen Betätigungsvorrichtung. Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht, die im wesentlichen ein Basisteil 101, einen Schlitten 103 und Kugel 105 der herkömmlichen Betätigungsvorrichtung zeigt. Das Basisteil 101 ist so gestaltet, daß es eine ausgesparte Form mit einem Paar Führungen 107 und 107 aufweist. In jeder Führung 107 ist eine Nut 109 ausgebildet. Der Schlitten 103 ist mit diesen Nuten 109 zugeordneten Nuten 111 und 111 ausgebildet. Auf der rechten und linken Seite des Schlittens 103 sind Rücklaufbahnen 113, die jeweils mit den Nuten 111 in Verbindung stehen, ausgebildet. Die Kugeln 105 werden in den Umlaufbahnen 113 gehalten.
Das Basisteil 101 und der Schlitten 103 sind beide aus Stahl hergestellt, und jene Bereiche, in denen die Nuten 109 und die Nuten 111 gebildet sind, sind natürlich aus Stahl hergestellt. Stahl ist als das Material für die Bereiche ausgewählt worden, in denen sich die Kugeln 105 bewegen, um die ausreichende Beständigkeit gegenüber der Last des beweglichen Schlittens 103 sicherzustellen, so daß die Betätigungsvorrichtung über einen langen Zeitraum eine zuverlässige oder gleichbleibende Wirksamkeit aufrechterhalten kann.
Bei Verwendung von Stahl für das Basisteil 101 und den Schlitten 103 wird die Vorrichtung insgesamt schwer. Zusätzlich wird die Belastung des Rotationsantriebs einschließlich des Servo-Motors für die Bewegung des Stahlschlittens 103 unerwünscht größer.
Es wurden einige Vorschläge gemacht, um mit dem oben erwähnten Gewichtsproblem fertig zu werden. Nach einem Vorschlag werden sowohl das Basisteil als auch der Schlitten aus dem gleichen Typ Leichtmetall hergestellt, wie z. B. einer Aluminiumlegierung oder einer Leichtlegierung. Ein anderer Vorschlag schlägt die Verwendung eines Leichtmetalls wie einer Aluminiumlegierung oder einer Leichtlegierung entweder für das Basisteil oder den Schlitten vor. Wenn das Basisteil und der Schlitten beide aus dem gleichen Typ des Leichtmetalls hergestellt sind, wie z. B. einer Aluminiumlegierung oder einer Leichtlegierung, verringert sich ihre mechanische Festigkeit, besonders die mechanische Festigkeit der Bereiche, in denen die Kugeln 105 rollen (weil der zugelassene Oberflächendruck der Bereiche, in denen die Kugeln 105 Berührung haben, gering ist, so daß diese Bereiche der beaufschlagten Belastung nicht widerstehen können). Die Betätigungsvorrichtung kann somit über einen längeren Zeitraum die stabile Wirksamkeit nicht halten.
Als eine Lösung der oben genannten Probleme wurde vorgeschlagen, Stahl lediglich für die Bereiche zu verwenden, in denen die Kugeln rollen, um die notwendige mechanische Festigkeit sicherzustellen, während das Überwiegende des Basisteils aus einem Leichtmetall gefertigt ist, wie z. B. einer Aluminiumlegierung oder einer Leichtlegierung, um das Gesamtgewicht der Vorrichtung zu reduzieren. Diese Vorschläge sind z. B. in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. Hei 1-188755 veröffentlicht. Die Struktur dieses Standes der Technik ist in Fig. 12 dargestellt. Diese Vorrichtung hat ein Gehäuse 201, das in seiner Gestalt nahezu rohrförmig und aus einem Leichtmetall gefertigt ist. Dieses Gehäuse 201 ist mit einem Paar Führungen 203 und 203 versehen, an denen jeweils Stahltragleisten oder -streifen 205 und 205 angebracht sind. Die Vorrichtung weist weiterhin einen Schlitten 207 auf, der mit Rücklaufbahnen 211 und 211 ausgebildet ist, in denen Kugeln 209 umlaufen.
Wenn das Gehäuse 201 sich mittels eines Kupplungsglieds 213 und eines Endlosbands 214 in der richtigen bzw. gewünschten Richtung bewegt, bewegt sich der Schlitten 207 entlang der Tragleisten 205 der Führungen 203 des Gehäuses 201 in der richtigen Richtung, während die Kugeln 209 rollen und umlaufen. In diesem Fall ist das meiste des Gehäuses 201 aus einem Leichtmetall hergestellt, und nur die Bereiche, die mit dem Rollen der Kugeln 209 zu tun haben, nämlich die Tragleisten 205, sind aus Stahl hergestellt.
Die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. Hei 1-188755 beschreibt ein Material nur für das Gehäuse 201, wohingegen angenommen wird, daß der Schlitten 207 ebenfalls aus Gleitmaterial hergestellt ist, obwohl dies nicht besonders erörtert ist, und zwar in Anbetracht der gewünschten mechanischen Festigkeit zu der Zeit, wenn die Kugeln 209 rollen.
Die oben beschriebenen Strukturen des Standes der Technik leiden jedoch an den folgenden Nachteilen: Wenn das Basisteil 101 und der Schlitten 103 wie im Fall der Fig. 11 vollständig aus Stahl hergestellt sind, wird die Vorrichtung schwerer und leidet somit an dem erhöhten Gewicht und der langsameren Arbeitsgeschwindigkeit. Wenn das Basisteil 101 und der Schlitten 103 vollständig aus einem Leichtmetall hergestellt sind, wie z. B. einer Aluminiumlegierung oder einer Leichtlegierung, nimmt die mechanische Festigkeit der Bereiche ab, die mit dem Rollen der Kugeln 105 zu tun haben, so daß die stabile Leistung der Vorrichtung nicht über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten werden kann.
Mit Rücksicht auf den Stand der Technik, der in Fig. 12 dargestellt ist, wird, da die Tragleisten 205 aus Stahl hergestellt sind, erwartet, daß der Schlitten 207 ebenfalls aus Stahl hergestellt ist, weil es unwahrscheinlich ist, daß der Schlitten 207 in Anbetracht des Flächendrucks zu der Zeit, wenn die Kugeln 209 rollen, aus einem Leichtmetall hergestellt ist. Wenn das Basisteil 201 aus einer Leichtlegierung hergestellt ist, kann jedoch der Abstand (der Mittelabstand der Kugeln 209) wegen der thermischen Expansion nicht groß gewählt werden. Der Aufbau nach Fig. 12 ist wahrscheinlich in Anbetracht eines derartigen Problems ausgebildet, weil der Abstand (Mittelabstand der Kugeln 209) klein gewählt ist. Wenn die Belastung in Rollrichtung auf den Schlitten 207 aufgebracht wird, macht der enge Abstand die Last auf den äußeren (Umlauf-)Bahnen größer, was auf den " Hebelarmeffekt" zurückzuführen ist, so daß dieser Bereich leicht verformbar ist. Dies beeinträchtigt die stabile Leistung der Vorrichtung.
In dem in Fig. 12 dargestellten Aufbau sind die Tragleisten 205 an den Führungen 203 angebracht, wie dargestellt in geneigter Form, wobei die Struktur gegen Belastungen in rückwärtiger radialer Richtung (Zugrichtung) und in Neigungs- oder Kipprichtung nicht so kräftig ist. Es ist deshalb wahrscheinlich, daß die gleichbleibende Funktion dieser Vorrichtung beeinträchtigt wird.
Die in Fig. 12 dargestellte Struktur steht einem anderen Problem gegenüber. Wie in Fig. 12 gezeigt, weist der Querschnitt des Gehäuses 201 eine annähernd C-förmige Gestalt mit Seitenwänden 201a und 201b auf, die sich hoch und aufrecht erheben. Die Bereiche, an denen die Tragleisten 205 vorgesehen sind, sind an oberen Bereichen der Seitenwände 201a und 201b angeordnet. Wenn irgendeine Last auf den Schlitten 207 aufgebracht wird, bewirken das Rollen und Umlaufen einer Vielzahl Kugeln eine hohe Last, die auf die relativ oberen Bereiche der Seitenwände 201a und 201b über die Tragleisten 205 und 205 einwirkt. Folglich kann ein großes Biegemoment erzeugt werden, das die Seitenwände 201a und 201b erheblich verformt. Das bedeutet, daß die Last auf den Schlitten 207 begrenzt ist (Gewicht und Lastmomente o. ä. von verschiedenen Einrichtungen, die auf dem Schlitten 207 zu montieren sind, sind begrenzt).
Fig. 13 zeigt die Verformung der in Fig. 12 gezeigten Struktur. Wie in Fig. 13 gezeigt, ist das Paar Seitenwände 201a und 201b auf dem Basisteil 201 nach links und rechts gerichtet. Es scheint, daß ein verhältnismäßig großes Biegemoment erzeugt wird, das die dargestellte Verformung erzeugt, weil das Basisteil 201 die Last über die Tragleisten 205, die an den relativ oberen Bereichen der Seitenwände 201a und 201b angeordnet sind, aufnimmt.
Die EP-0268011 zeigt ein Linearlager, das eine Laufschiene 1 einschließt, die einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Die Laufschiene weist eine zentrale, axiale Rinne 7 mit geneigten Seiten 8 auf, die mit einem Paar Schienen versehen sind, die Rollkörperschienen oder -bahnen 10 aufweisen. Das Gleitelement 2 des Lagers weist ein vorstehendes Profil 12 mit einem Paar Schlitten-Seitennuten auf, das zu der Laufschienenrinne paßt. Es weist ein Paar Schlitten schienen auf, die an dem Paar Schlitten-Seitennuten befestigt sind und Röllkörperbahnen mit Kugelrücklaufkurven an beiden Enden aufweisen. Wenn das Lager montiert ist, fungieren die Lagerkugeln 17 als Verriegelungselemente, die den Schlitten und die Laufschiene zusammenhalten.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen, die ein Basisteil, das eine Bodenwand und ein Paar senkrecht an rechter und linker Seite der Bodenwand vorgesehene Seitenwände aufweist, und das einen annähernd U-förmigen Querschnitt aufweist und durch Extrusion eines Leichtmetalls oder einer Leichtlegierung gebildet ist; einen Schlitten, der innerhalb des Basisteils derart vorgesehen ist, daß er in Längsrichtung des Basisteils bewegbar ist und der aus der gleichen Art Leichtmetall oder Leichtlegierung wie das Basisteil hergestellt ist, und der ein Paar Rücklaufbahnen aufweist; ein Paar Basisteil-Seitennuten, das in inneren Oberflächen der Seitenwände des Basisteils gebildet ist, wobei die innere Oberfläche der Seitenwände im wesentlichen senkrecht zum Basisteil ist; ein Paar Schlitten-Seitennuten, die in rechter und linker seitlicher Oberfläche des Schlittens gebildet sind, und zwar an Positionen entsprechend dem Paar Basisteil-Seitennuten, wobei die Schlitten-Seitennuten die gleiche Form wie die Basisteil-Seitennuten aufweisen; ein Paar Basisteilschienen aus Stahl, die sicher an dem Paar Basisteil-Seitennuten befestigt sind und Rollkörperbahnen aufweisen; und ein Paar Schlittenschienen aus Stahl, die fest an dem Paar Schlitten-Seitennuten angebracht sind und Rollkörperbahnen aufweisen, die über ein Paar Rückführkappen mit den Rücklaufbahnen verbunden sind, wobei die Rollkörper Kugeln sind und wobei die Stärke der Basisteilschienen geringer als der Durchmesser der Kugeln und kleiner 10% eines Rollmittelpunktabstandes der Kugeln und die Breite der Basisteilschienen kleiner oder gleich dem doppelten Durchmesser der Kugeln gewählt ist.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann typischerweise die mechanische Festigkeit der Bereiche, die den Rollen oder Rollkörpern zugeordnet sind, beibehalten, kann leichter gestaltet sein, und zwar mit einer verbesserten Betriebsgeschwindigkeit, und kann den Mittelabstand der Rollkörper durch Beseitigen der Nachteile, die durch die thermische Expansion derselben begründet sind, vergrößern, wodurch die Momenten-Steifigkeit verbessert wird.
Das Paar Basisteil-Seitennuten kann an solchen Positionen vorgesehen sein, daß der Abstand (L1) in Höhenrichtung von einer Oberfläche der Bodenwand des Basisteils zur Mitte der Basisteil-Seitennuten gleich oder kleiner ist als die Dicke (D1) der Seitenwände des Basisteils.
Die Basisteil-Seitennuten können eine Breite (B) in Höhenrichtung, die größer ist als deren Tiefe (H), und einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.
Die Eckbereiche im Übergang zwischen der Bodenwand des Basisteils und dem Paar der Seitenwände können geneigte Oberflächen aufweisen.
Bevorzugterweise werden das Paar Basisteilschienen und das Paar Schlittenschienen durch Schleifen oder plastisches Wälzverfahren hergestellt, die Rollkörperbahnen an vorbestimmten Positionen durch eine Wärmebehandlung und einen Härtungsprozeß gebildet, die Basisteilschienen und die Schlittenschienen in die Basisteil-Seitennuten und die Schlitten-Seitennuten in diesem Falle fest eingesetzt, und die Rollkörperbahnen werden so geschliffen, daß sie eine Querschnittsform eines gotischen Bogens aufweisen. Typischerweise ist der gotische Bogen bogenförmig.
Das Leichtmetall oder die Leichtlegierung kann eine Aluminiumlegierung, Magnesiumlegierung oder Titanlegierung sein.
Die Bodenwand des Basisteils kann einen hohlen Bereich aufweisen, um leichter zu werden und eine höhere Steifigkeit aufzuweisen.
Die Rollkörper können Kugeln sein.
Bei Verwendung der Kugeln kann die Dicke (D2) der Basisteilschienen kleiner ausgebildet sein als der Durchmesser (D3) der Kugeln als Rollkörper und gleich oder kleiner als 10% eines Mittelabstandes des Rollens der Kugeln, und die Breite (B) der Basisteilschienen kann gleich oder kleiner ausgebildet sein als der doppelte Durchmesser (D3) der Kugeln.
Gemäß dieser Erfindung sind das Basisteil und der Schlitten aus dem gleichen Typ Leichtmetall oder Leichtlegierung hergestellt, um das Gewicht der Vorrichtung zu reduzieren. Weiterhin sind die Basisteil-Seitennuten und Schlitten-Seitennuten jeweils in dem Basisteil bzw. dem Schlitten gebildet, wobei die Basisteilschienen und Schlittenschienen aus Stahl, die die Rollkörperbahnen aufweisen, sicher in diese Basisteil-Seitennuten und Schlitten-Seitennuten eingepaßt sind, um die gewünschte mechanische Festigkeit der Bereiche, auf denen die Roll körper rollen, zu halten und das Vortreten der durch thermische Expansion bedingten Nachteile zu verhindern.
Wenn das Paar Basis-Seitennuten derart vorgesehen ist, daß ihre Längen von der Oberfläche der Bodenwand des Basisteils gleich oder kleiner als die Dicke der Basisteil-Seitenwände ist, ist der Lastangriffspunkt an dem Basisteil zu der Zeit, wenn die Rollkörper rollen, relativ niedriger eingestellt, so daß die Verformung des Basisteils, die durch das Biegemoment, das durch die aufgebrachte Last produziert wird, begründet ist, unterdrückt wird.
Wenn die Basisteil-Seitennuten einen rechtwinkligen Querschnitt aufweisen, derart, daß die Breite der Seitennuten größer ist als die Tiefe derselben, wird es leichter, die Basisteil-Seitennuten und die Basisteil-Schienen zu bearbeiten (oder die Abmessungen zu beeinflussen), so daß die Hochpräzisionsbefestigung der Basisteil-Schienen in den Basisteil-Seitennuten sichergestellt ist. Das gleiche gilt für die Schlittenseite.
Wenn die Eckbereiche der Begrenzungen zwischen der Bodenwand des Basisteils und dem Paar Seitenwände geneigte Oberflächen aufweisen, ist es möglich, die Belastung/Beanspruchungskonzentration auf die Eckbereiche zu unterdrücken.
Weiterhin kann der Einfluß von Parallelitätsfehlern, die durch Arbeiten an und Montage der Schienen und Nuten begründet ist, eliminiert werden, um die Präzision wie die Parallelität der Umlaufnuten zu verbessern, indem das Paar Basisteil-Schienen und das Paar Schlittenschienen durch Schleifen oder ein plastisches Wälzverfahren gebildet werden, die der Rollkörperbahnen an vorbestimmten Positionen durch Wärmebehandlung und einen Härtungsprozeß gebildet werden, die Basisteil-Schienen und die Schlittenschienen fest in die Basisteil-Seitennuten und die Schlitten-Seitennuten einer solchen Situation eingesetzt und dann die Rollkörperbahnen geschliffen werden. Wenn der Querschnitt der Rollkörperbahnen eine Form eines gotischen Bogens aufweist, kann der Bereich, der die Last aufnimmt, lediglich auf den Bereich in der Nähe der Rollkörperbahnen begrenzt sein.
Fig. 1 ist ein teilweiser Freischnitt in Draufsicht einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung;
Fig. 2 ist eine Seiten-Querschnittsansicht der Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels;
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht der Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels;
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht der Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels zum Erklären der dimensionalen Beziehung zwischen einem Basisteil und den einzelnen Komponenten des Schlittens;
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung gemäß einem vergleichenden Beispiel zum Erklären einer durch thermische Expansion begründeten Verformung;
Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht, die die Vorrichtung dieses Ausführungsbeispiels zeigt, zum Erklären einer durch thermische Expansion begründeten Verformung;
Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht des Basisteils eines vergleichenden Beispiels, zum Erklären, wie Belastungskonzentration an den Begrenzungen zwischen der Bodenwand des Basisteils und einem Paar Seitenwände infolge der Aufbringung der Last zustande kommt;
Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht des Basisteils dieses Ausführungsbeispiels zum Erklären, wie Belastungskonzentration auf die Begrenzungen zwischen der Bodenwand des Basisteils und einem Paar Seitenwände infolge der Aufbringung der Last zustande kommt;
Fig. 9 ist ein Diagramm, das zeigt, wie Belastung im Fall des in Fig. 7 gezeigten vergleichenden Beispiels erzeugt wird;
Fig. 10 ist ein Diagramm, das zeigt, wie Belastung im Fall des Ausführungsbeispiels in Fig. 8 erzeugt wird;
Fig. 11 ist eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung gemäß eines Standes der Technik;
Fig. 12 ist eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung gemäß eines anderen Standes der Technik;
und
Fig. 13 ist ein Diagramm des Standes der Technik gemäß Fig. 12, das zeigt, wie die in Fig. 12 gezeigte Struktur verformt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug zu den Fig. I bis 10 beschrieben. Wie in Fig. 3 gezeigt, weist ein Basisteil I einen annähernd U-förmigen seitlichen Querschnitt auf und schließt eine Bodenwand 1a und ein Paar Seitenwände 1b und 1c ein, die senkrecht an rechter und linker Seite der Bodenwand 1a vorgesehen sind. Das Basisteil 1 ist durch Extrusion eines Leichtmetalls oder einer Leichtlegierung, wie z. B. einer Aluminiumlegierung, gebildet, um sein Gewicht zu reduzieren. Die Bodenwand 1a ist, wie in Fig. 3 dargestellt, hohl ausgebildet, um die Steifigkeit zu erhöhen, sowie das Gewicht zu reduzieren. Die hohlen Abschnitte der Bodenwand 1a sind durch Bezugsziffern "3" und "5" in dem Diagramm bezeichnet. Die Eckbereiche von Begrenzungen zwischen der Bodenwand 1a und den Seitenwänden 1b und 1c weisen geneigte Oberflächen 1d und 1e auf, um dort die Belastungskonzentration zu reduzieren. Das Leichtmetall oder die Leichtlegierung kann neben einer Aluminiumlegierung auch eine Magnesiumlegierung, Titanlegierung od. dgl. sein.
Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, ist das Basisteil 1 als ein langgestrecktes Objekt mit einer vorbestimmten Länge ausgebildet, wobei ein Gehäuse 9 mit dem rechten Ende des Basisteils 1 in Fig. 1 verbunden ist. In diesem Gehäuse 9 ist ein Servo-Motor 11 als Rotationsantrieb untergebracht. Der Servo-Motor 11 umfaßt einen Stator 13, der an einer inneren, peripheren Seite des Gehäuses 9 angeordnet ist, und einen Rotor 15, der innerhalb des Stators 13 drehbar gehalten ist. Der Rotor 15 ist an einer Ausgangswelle 17, die mit einer Kugelumlaufpindel 19 integral ausgebildet ist, befestigt. Die Kugelumlaufspindel 19 ist an dem äußeren, peripheren Bereichen der Ausgangswelle 17 in Fig. 17 vorgesehen.
Eine Kugelmutter 21 steht mit der Kugelumlaufspindel 19 in Eingriff, wobei ihre Drehung begrenzt ist. Ein Schlitten 23 ist integral an der Kugelmutter 21 befestigt. Verschiedene (nicht gezeigte) Einrichtungen sind auf diesem Schlitten 23 montiert. Der Schlitten 23 wie das Basisteil 1 sind aus einer Aluminiumlegierung gefertigt, um entscheidend dazu beizutragen, das Gewicht der Betätigungsvorrichtung zu reduzieren. Die Abtriebs- oder Ausgangswelle 17 ist auf beiden Seiten des Servo-Motors 11 durch Lager 25 und 27 und ein Lager 29 unterstützt derart, daß sie auf beiden Seiten drehbar ist. Die Abtriebswelle 17 ist ebenfalls drehbar an dem linken Ende des Basisteils 1 in Fig. 1 durch ein Lager 33 drehbar unterstützt/gehalten. Auf der rechten Seite des Lagers 29 in Fig. 1 sind Erkennungsmittel 35 vorgesehen, die den Wert der Drehung des Servo-Motors 11 feststellen. Ein Deckel 37 ist über dem rechten Ende des Gehäuses 9 in Fig. 1 sichernd befestigt.
Die Strukturen des Basisteils 1 und des Schlittens 23 werden nun mit Bezug zu den Fig. 3 und 4 im Detail beschrieben. Die Basisstruktur des Basisteils 1 wurde bereits oben beschrieben. Basisteil-Seitennuten 41 und 43 sind jeweils in inneren Oberflächen des Paares Seitenwände 1b und 1c gebildet. Diese Basisteil-Seitennuten 41 und 43 weisen einen rechteckigen seitlichen Querschnitt auf. Die Basisteil-Seitennuten 41 und 43 sind an solchen Positionen ausgebildet, daß der Abstand von der Oberfläche der Bodenwand 1a des Basisteils 1 gleich oder kleiner als die Dicke D1 der Seitenwände 1b und 1c, wie in Fig. 4 gezeigt, ist. Vorausgesetzt, daß der Abstand von der Oberfläche der Bodenwand 1a des Basisteils 1 zu der Mitte jeder der Basisteil-Seitennuten 41 oder 43 L1 ist, weisen der Abstand L1 und die Dicke/Stärke D1 eine Beziehung auf, die durch die folgende Gleichung (I) ausgedrückt ist.
L1 ≤ D 1 (I)
Diese Struktur wird so angewendet, daß, da die Basisteil-Seitennuten 41 und 43 an möglichst niedrigen Positionen in der aufrechten Richtung der Seitenwände 1b und 1c vorgesehen sind, das Biegemoment, das durch die zu der Zeit des Rollens aufgebrachte Last auf die Kugeln 73 als Rollkörper erzeugt wird, so die Verformung der Seitenwände 1a und 1b des Basisteils 1 so viel wie möglich unterdrückt. Weiterhin weisen die Breite B und Tiefe H der Basisteil-Seitennuten 41 und 43 eine Beziehung auf, die durch die folgende Gleichung (II) ausgedrückt ist, nämlich daß die Breite B größer als die Tiefe H ist.
B > H (II)
Basisteilschienen 45 und 47 aus Stahl sind jeweils an den Basisteil-Seitennuten 41 und 43 befestigt. Rollkörperbahnen 49 und 51, auf denen Kugeln 73 rollen, sind jeweils in den Basisteilschienen 45 und 47 gebildet. Diese Basisteilschienen 45 und 47 sind durch folgende Verfahren hergestellt: Zuerst werden die Basisteilschienen 45 und 47 durch Schleifen oder durch plastisches Wälzverfahren gebildet, und die Rollkörperbahnen 49 und 51 werden an vorbestimmten Positionen durch eine Wärmebehandlung und einen Härtungsprozeß gebildet. Unter diesen Bedingungen werden die Basisteilschienen 45 und 47 fest in die Basisteil-Seitennuten 41 und 43 eingesetzt. Dann werden die Rollkörperbahnen 49 und 51 so geschliffen, daß sie eine Querschnittsform eines gotischen Bogens aufweisen.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um die sichere Einpassung der Basisteilschienen 45 und 47 zu bewirken: Eine Möglichkeit besteht darin, die Breite der Basisteilschienen 45 und 47 geringfügig größer als die Breite der Basisteil-Seitennuten 41 und 43 zu wählen und die erstgenannten mit Preßsitz in die letztgenannten einzusetzen. Eine weitere Möglichkeit ist, die Breite der Basisteilschienen 45 und 47 geringfügig kleiner als die Breite der Basisteil-Seitennuten 41 und 43 auszubilden, die Basisteilschienen 45 und 47 in die Nuten 41 und 43 einzuführen und beide sicher durch Haftmittel zu befestigen. Alternativ werden die distalen Endbereiche der Basisteil-Seitennuten 41 und 43 nach dem Einführen der Basisteilschienen 45 und 47 geklemmt, um die Basisteilschienen 45 und 47 an den Basisteil-Seitennuten 41 und 43 sicher zu befestigen.
Weiterhin wird die Dicke D2 der Basisteilschienen 45 und 47 kleiner als der Durchmesser D3 der Kugeln 73 als Rollkörper und gleich oder kleiner als 10% des Rollmittelpunkt-Abstandes der Kugeln 73 gewählt, und die Breite B der Basisteilschienen 45 und 47 (die im wesentlichen die gleiche ist wie die Breite B der Basisteil-Seitennuten 41 und 43 und daher durch das gleiche Bezugssymbol "B" bezeichnet ist) wird gleich oder kleiner als der doppelte Durchmesser D3 der Kugeln 73 gewählt. Mit anderen Worten wird diese Beziehung durch die folgenden Gleichungen (III), (IV) und (V) ausgedrückt:
D2 < D3 (111)
D2 < 0.1 · L2 (IV)
B ≤ 2 · D3 (V)
Ein Paar Schlitten-Seitennuten 53 und 55 sind jeweils auf der rechten und linken Seite des Schlittens 23 gebildet. Diese Schlitten-Seitennuten 53 und 55 sind an den Positionen entsprechend dem Paar Basisteil-Seitennuten 41 und 43 angeordnet, und sie weisen die gleiche Form und die gleiche Größe wie die Basisteil-Seitennuten 41 und 43 auf. Schlittenschienen 57 und 59 sind sicher im Preßsitz in die Schlitten-Seitennuten 53 und 55 eingesetzt. Rollkörperbahnen 61 und 63 sind in den entsprechenden Schlittenschienen 57 und 59 gebildet. Diese Schlittenschienen 57 und 59 werden durch die gleichen Verfahren wie die Basisteilschienen 45 und 47 hergestellt.
Ein Paar Rücklaufbahnen 65 und 67 werden auf der rechten und linken Seite des Schlittens 23 gebildet. Die Rollkörperbahn 61 der Schlittenschiene 57 ist der Rücklaufbahn 65 zugeordnet, und Rückführkappen oder -aufsätze 69 und 71 aus Harz sind an beiden Enden der Umlaufbahn 65 angebracht. Eine Mehrzahl Kugeln 73 als Rollkörper rollen und laufen in einer Umlaufbahn um, die durch die Rollkörperbahn 61, die Rücklaufbahn 65 und die Rückführkappen 69 und 71 definiert ist. Ebenso ist die Rollkörperbahn 63 der Schlittenschiene 59 der Rücklaufbahn 67 zugeordnet, und Rückführkappen 69 und 71 aus Harz sind an beiden Enden der Umlaufbahn 67 angebracht. Die Kugeln 73 als Rollkörper rollen und laufen in einer Umlaufbahn um, die durch die Rollkörperbahn 63, die Rücklaufbahn 67 und die Rückführkappen 69 und 71 definiert ist.
Dieses Ausführungsbeispiel kann die folgenden Vorteile aufweisen: Zuerst kann, da das meiste des Basisteils 1 und des Schlittens 23 aus Aluminium gefertigt ist und lediglich die Bereiche, in denen die Kugeln 73 rollen, nämlich die Basisteilschienen 45 und 47 und die Schlittenschienen 57 und 59, aus Stahl gefertigt sind, die Betätigungsvorrichtung insgesamt leichter (hinsichtlich des Gewichts) hergestellt werden. Es ist somit möglich, die Kapazität des Rotationsantriebs zu reduzieren und leicht (ohne Schwierigkeiten) die Arbeitsgeschwindigkeit des Rotationsantriebs zu erhöhen.
Weil die Bereiche, die mit dem Rollen der Kugeln 73 zu tun haben, auf der Basisteil (1)-Seite und der Schlitten (23)-Seite aus dem gleichen Material gefertigt sind, kann so das Auftreten der sich aus der thermischen Expansion ergebenden Probleme eliminiert werden.
Weil die Bereiche, die mit dem Rollen der Kugeln 73 zu tun haben, die Stahl-Basisschienen 45 und 47 und die Stahl-Schlittenschienen 57 und 59 sind, ist ihre mechanische Festigkeit groß genug, um die gleichbleibende Wirkung/Funktion über einen langen Zeitraum sicherzustellen.
Da die Basisteil-Seitennuten 41 und 43 an relativ niedrigen Bereichen der Seitenwände 1b und 1c des Basisteils 1 in aufrechter Richtung derselben vorgesehen sind, wirkt die Belastung auf relativ niedrige Bereiche dieser Seitenwände 1b und 1c zu der Zeit, zu der die Kugeln 73 rollen, ein. Das Biegemoment, das durch das Aufbringen der Last auf die Seitenwände 1b und 1c erzeugt wird, wird somit kleiner, so daß die Verformung des Basisteil 1 soweit wie möglich unterdrückt werden kann.
Weil die Dicke D2 der Basisteilschienen 45 und 47 kleiner gewählt ist als der Durchmesser D3 der Kugeln 73 als Rollkörper und gleich oder kleiner als 10% des Rollmittelpunkt- Abstandes L2 beim Rollen der Kugeln 73, ist es möglich, den Einfluß eines Dimensionswechsels, der durch den Unterschied in thermischer Expansion zwischen Aluminium und Stahl in Einklang mit einem Wechsel in der Umgebungstemperatur begründet ist, auf die Wirkung/Funktion zu reduzieren. Das gleiche gilt für die Schlittenseite.
Da die Basisteil-Seitennuten 41 und 43 und die Schlitten-Seitennuten 53 und 59 so ausgebildet sind, daß sie eine rechteckige Form aufweisen, wird es einfacher, die Basisteil-Seitennuten 41 und 43 und die Basisschienen 45 und 47 zu bearbeiten (oder die Abmessungen zu schaffen), so daß die Hochpräzisionseinpassung der Basisteilschienen 45 und 47 in die Basisteil- Seitennuten 41 und 43 sichergestellt wird. Das gleiche gilt für die Schlittenseite.
Die Bodenwand 1a des Basisteils 1 weist eine hohle Form mit hohlen Bereichen 3, 5 und 7 auf, um dadurch einen wesentlichen Beitrag zur Reduzierung des Gewichts der Betätigungsvorrichtung zu leisten und die Steifigkeit zu verbessern.
Da die Eckbereiche der Begrenzungen zwischen der Bodenwand 1a des Basisteils 1 und dem Paar Seitenwände 1b und 1c geneigte Oberflächen 1d und 1e aufweisen, ist es möglich, die Belastungskonzentration auf die Eckbereiche zu unterdrücken.
Ein Beispiel der Berechnung, wieviel Verformung die thermische Expansion tatsächlich verursacht, wird nun durch den Vergleich mit einem vergleichenden Beispiel des Standes der Technik erklärt: Der Aufbau dieses vergleichenden Beispiels ist in Fig. 5 gezeigt. Das dargestellte, vergleichende Beispiel entspricht dem der Struktur in Fig. 12, die zuvor in dem Abschnitt des betreffenden Standes der Technik erörtert wurde. Ein Basisteil 301 ist aus einer Aluminiumlegierung gefertigt, und an dem Basisteil 301 sind Stahl-Basisteilschienen 302 angebracht. Ein Schlitten 303 und Kugeln 305 sind aus Stahl gefertigt. Der Durchmesser der Kugeln 305 ist 3,175 mm, und der Mittelabstand derselben ist 60 mm. Der Abstand von dem Mittelpunkt der Kugeln 305 zu dem äußeren Ende der dazugehörigen Basisteilschienen 302 ist 3,2 mm.
Der thermische Expansionskoeffizient einer Aluminiumlegierung ist 23.6 · 10&supmin;&sup6; (1/K), und der thermische Expansionskoeffizient von Stahl ist 10.7 · 10&supmin;&sup6; (1/K). Es sei auch angenommen, daß sich die Umgebungstemperatur um ca. 20ºC verändert hat.
Mit Blick auf das vergleichende Beispiel in Fig. 5 wird die Abmessung zwischen den Böden der Nuten des Basisteils 301 (der Abstand den außenseitigen Enden des Paares der Basisteilschienen 302) um ΔL' geändert, der durch die folgende Gleichung wiedergegeben ist:
ΔL' = (60 + 2 · 3.2) · 23.6 · 10&supmin;&sup6; · 20
= 0.0313 mm
Mit Blick auf den Schlitten 303 und die Kugeln 305 verändert sich die Abmessung, im Gegensatz zu dem obigen Fall, zwischen den Böden der Nuten des Basisteils 301 (dem Abstand zwischen den außenseitigen Enden des Paares Basisteilschienen 302) um ΔL, was durch die folgende Gleichung wiedergegeben wird:
ΔL = (60 + 2 · 3.2) · 10.7 · 10&supmin;&sup6; · 20
= 0.0142 mm
Daher ergibt sich die folgende Differenz zwischen der Veränderung ΔL' für das Basisteil 301 und der Veränderung AL für Schlitten 303 und Kugeln 305: 0.0313 - 0.0142 = 0.0171 mm.
Im allgemeinen sollen die Intervalle zwischen den Kugeln 305 und den Nuten im Bereich von einigen um kontrolliert werden. Wenn eine Verschiebungsdifferenz von 0.0171 mm besteht, so kann dadurch die geeignete Funktion nicht aufrechterhalten werden.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ergeben sich, im Vergleich zu dem obigen Beispiel, die folgenden Werte: Wie in Fig. 6 gezeigt, verändert sich die Abmessung zwischen den Böden der Nuten und des Basisteils 301 um ΔL', was sich durch die folgende Gleichung ergibt:
ΔL' (60 + 2 · 3.2) · 23.6 · 10&supmin;&sup6; · 20
= 0.0313 mm
Das ist das gleiche wie bei dem vergleichenden Beispiel. Mit Blick auf den Schlitten 303 und die Kugeln 305 ergibt sich eine Abmessungsveränderung ΔL, die durch die folgende Gleichung vorgegeben ist:
ΔL = (60 - 2 · 3.2) · 23.6 · 10&supmin;&sup6; · 20 + (4 · 3.2) · 10.7 · 10&supmin;&sup6; · 20
= 0.0280 mm
Dadurch ergibt sich die folgende Differenz zwischen der Veränderung ΔL' für das Basisteil 301 und die Veränderung ΔL für den Schlitten 303 und die Kugeln 305:
0.0313 - 0.0280 = 0.0033 mm.
Mit anderen Worten liegt die Dimensionsveränderung innerhalb ±3.3 um im Hinblick auf eine Temperaturveränderung von ±20ºC, so daß die geeignete Funktion bei normalen Veränderungen der Umgebungstemperatur aufrechterhalten werden kann.
Es wird nun eine Beschreibung gegeben, wie die Belastungskonzentration auf die Begrenzungen zwischen der Bodenwand 1a des Basisteils 1 und dem Paar Seitenwände 1b und 1c unterdrückt wird, und zwar mit Bezug zu den Fig. 7 bis 10. Fig. 7 ist ein Diagramm, das ein vergleichendes Beispiel für dieses Ausführungsbeispiel zeigt, in dem die Begrenzungen zwischen der Bodenwand 1a und dem Paar Seitenwände 1b und 1c so ausgebildet sind, daß sie rechte Winkel aufweisen. Fig. 8 zeigt die Struktur des Basisteils 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel, die die geneigten Oberflächen 1d und 1e an den Begrenzungen zwischen der Bodenwand 1a und den Seitenwänden 1b und 1c, wie bereits vorher erörtert, aufweist.
Fig. 7 bis 10 werden vorgelegt, um den Effekt der geneigten Oberflächen 1d und 1e zu erklären und die anderen dargestellten Teile, z. B. die Basisteil-Seitennuten, weisen unterschiedliche Strukturen als die der Erfindung auf.
Wie die Belastung auf die Begrenzungen zwischen der Bodenwand 1a und die Seitenwände 1b und 1c konzentriert wird, wurde sowohl für das vergleichende Beispiel gemäß Fig. 7 und dieses in Fig. 8 gezeigte Ausführungsbeispiel analysiert.
Die Analyse wurde mittels Definit-Element-Analyse durchgeführt, und das Folgende sind die Abmessungen des Basisteils 1 und der Kugeln, gezeigt in den Fig. 7 und 8.
Breite des Basisteils 1: 120 mm
Höhe des Basisteils 1: 54 mm
Durchmesser der Kugeln: 6,35 mm
Mittelpunktabstand der Kugeln: 84 mm
Weiterhin ist die Bodenfläche des Basisteils 1 befestigt, und die Last wird auf die Rollkörperschienen in der rechten und linken Richtung und der Auf-und-Ab-Richtung aufgebracht. Die Last betrug in diesem Fall 1 kgf pro 1 mm, in der Längsrichtung des Basisteils 1. Weiterhin greift die Last auf der linken Seite des Basisteils 1 links von der Innenseite an und auf der rechten Seite in einer solchen Weise, daß sie nach rechts verteilt oder ausgebreitet wird. Eine Einheitslast, die äquivalent zu dem Aufwärts-Wälz- oder Rollmoment ist, und eine Einheitslast, die äquivalent zu dem Abwärts-Wälz- oder Rollmoment ist, werden jeweils zu der gleichen Zeit auf der linken Seite und der rechten Seite des Basisteils 1 aufgebracht.
Die Ergebnisse sind in den Fig. 9 und 10 dargestellt. Fig. 9 zeigt die Belastungskonzentration in dem Vergleichsbeispiel, während Fig. 10 die Belastungskonzentration in diesem Ausführungsbeispiel zeigt. Es wird davon ausgegangen, daß die Belastung in dem schwarzen Bereich in Fig. 9 und 10 am höchsten ist und die Belastung graduell in Richtung des weißen Bereiches geringer wird. Es ist aus Fig. 9 und 10 offenbar, daß eine große Belastungskonzentration an den Begrenzungen zwischen der Bodenwand 1a und den Seitenwänden 1b und 1c in dem vergleichenden Beispiel eintrat, wobei eine solche Belastungskonzentration in diesem Ausführungsbeispiel wirkungsvoll unterdrückt wird. Es wird auch verständlich, daß die Belastung, die innerhalb des Basisteils 1 erzeugt wird, unterdrückt wird.
Diese Erfindung ist nicht auf das oben erwähnte Ausführungsbeispiel begrenzt, sondern sie kann innerhalb des Rahmens der Erfindung in verschiedener Art und Weise modifiziert werden. Zum Beispiel können, obwohl eine Aluminiumlegierung als Leichtmetall oder Leichtlegierung in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendet wird, alle verfügbaren Leichtmetalle oder Leichtlegierungen verwendet werden, um das Gewicht der Betätigungsvorrichtung zu reduzieren. Die Basisstruktur der Betätigungsvorrichtung ist nicht begrenzt auf den dargestellten Mechanismus, der vom Kugelumlaufspindel- und Kugelmutter-Typ ist. Zum Beispiel kann diese Erfindung ebenfalls für eine Betätigungsvorrichtung vorgesehen werden, die den Schlitten durch einen Gurt und Riemenscheiben antreibt. In dem Fall, in dem das Basisteil und der Schlitten aus dem gleichen Typ Leichtmetall oder Leichtlegierung gefertigt sind, bedeutet der gleiche Typ nicht lediglich die Verwendung des exakten Materials, sondern ebenfalls die Verwendung des gleichen Materials, zum Beispiel einer Aluminiumlegierung mit geringfügig unterschiedlicher Zusammensetzung.

Claims

1. Eine Betätigungsvorrichtung, umfassend:

ein Basisteil (1), das eine Bodenwand (1a) und ein Paar senkrecht an rechter und linker Seite der Bodenwand (1a) vorgesehene Seitenwände (1b, 1c) sowie einen annähernd U-förmigen Querschnitt aufweist und durch Extrusion eines Leichtmetalls oder einer Leicht-Legierung gebildet ist;

einen Schlitten (23), der innerhalb des Basisteils derart vorgesehen ist, daß er in Längsrichtung des Basisteils (1) bewegbar ist, aus der gleichen Sorte von Leichtmetall oder Leicht-Legierung wie das Basisteil (1) hergestellt ist und ein Paar Rücklaufbahnen (65, 67) aufweist;

ein Paar Basisteil-Seitennuten (41, 43), das in inneren Oberflächen des Paares Seitenwände (1b, 1c) des Basisteils (1) gebildet ist, wobei die innere Oberfläche der Seitenwände im wesentlichen senkrecht zum Basisteil ist;

ein Paar Schlitten-Seitennuten (53, 55), die in rechter und linker seitlicher Oberfläche des Schlittens (23) gebildet sind, und zwar an Positionen entsprechend dem Paar Basisteil-Seitennuten (41, 43), wobei die Schlitten-Seitennuten (53, 55) die gleiche Form wie die Basisteil-Seitennuten (41, 43) aufweisen;

ein Paar Basisteilschienen (45, 47) aus Stahl, die sicher an dem Paar von Basisteil- Seitennuten (41, 43) befestigt sind und Rollkörperbahnen (49, 51) aufweisen; und

ein Paar Schlittenschienen (57, 59) aus Stahl, die sicher an dem Paar Schlitten-Seitennuten (53, 55) befestigt sind und Rollkörperbahnen (49, 51) aufweisen, die über ein Paar Rückführkappen (69, 71) mit den Rücklaufbahnen (65, 67) verbunden sind, wobei die Rollkörper Kugeln (73) sind und die Stärke (D2) der Basisteilschienen (45, 47) geringer als der Durchmesser (D3) der Kugeln (73) und kleiner 10% als der oder gleich dem Rollmittelpunktabstandes der Kugeln (73) und die Breite (B) der Basisteil schienen (45, 47) kleiner oder gleich dem doppelten Durchmesser (D3) der Kugeln (73) gewählt ist.

2. Die Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Paar der Basisteil-Seitennuten (41, 43) an solchen Positionen vorgesehen ist, daß der Abstand (L1) in Höhenrichtung von der Oberfläche der Bodenwand (1a) des Basisteils (1) zu der Mitte der Basisteil-Seitennuten (41, 43) gleich oder kleiner ist als die Stärke (D1) der Seitenwände (1b, 1c) des Basisteils (1).

3. Die Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Basisteil-Seitennuten (41, 43) eine Breite (B) in Höhenrichtung, die größer ist als deren Tiefe (H), und einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.

4. Die Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Eckbereiche von Begrenzungen zwischen der Bodenwand (1a) des Basisteils (I) und dem Paar Seitenwände (1b, 1c) geneigte Oberflächen (1d, 1e) aufweisen.

5. Die Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Paar Basisteilschienen (45, 47) und das Paar Schlittenschienen (57, 59) durch Schleifen oder ein plastisches Wälzverfahren hergestellt werden, die Rollkörperbahnen (49, 51, 61, 63) an vorbestimmten Positionen durch eine Wärmebehandlung und einen Härtungsprozeß gebildet werden, die Basisteilschienen und die Schlittenschienen fest in die Basisteil-Seitennuten (41, 43) und die Schlitten-Seitennuten (53, 55) in diesem Falle sicher in die Basisteil-Seitennuten (41, 43) eingesetzt sind und wobei die Rollkörperbahnen (49, 51, 61, 63) so geschliffen sind, daß sie eine Querschnittsform eines gotischen Bogens aufweisen.

6. Die Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Leichtmetall oder die Leicht-Legierung eine Aluminiumlegierung, Magnesiumlegierung oder Titanlegierung ist.

7. Die Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Bodenwand (1a) des Basisteils (1) einen hohlen Bereich aufweist.