WO2023202773A1 - Linearmodul, linearmodul mit einem magneten und gebervorrichtung zur bestimmung der winkellage und/oder ermittlung der position eines schlittens - Google Patents

Linearmodul, linearmodul mit einem magneten und gebervorrichtung zur bestimmung der winkellage und/oder ermittlung der position eines schlittens Download PDF

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WO2023202773A1
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spindle
linear module
housing
coupling unit
carriage
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PCT/EP2022/060535
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Jeremias WEHRLI
Marco GUGGISBERG
Daniel Baumann
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Cyltronic Ag
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Publication date
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Definitions

  • Linear module, linear module with a magnet and encoder device for determining the angular position and/or determining the position of a slide
  • the invention relates to a linear module and a linear module with a magnet for determining the angular position and/or determining the position of a slide.
  • Known linear modules often also referred to as a linear axis or linear unit, include an electric motor to drive movement of a slide by converting a rotary movement of the motor into a linear movement of the slide.
  • linear modules are often complicated to use, since linear modules are often used in limited space, especially in the interior of the machine.
  • external and/or large control devices must also be provided in order to control the linear modules.
  • the external control devices are often installed in the control cabinet of the machine in which the linear module is installed or outside the housing of the linear module.
  • EP 0 647 503 A2 discloses a linear guide unit and system with a large number of covers for transmitting a linear driving force.
  • the control of known linear modules in the prior art is complex and only has complex adjustment options for the control and/or compatibility with the installation environment or with other modules.
  • the object of the present invention is to overcome these and other disadvantages of the prior art.
  • the invention is intended to provide a linear module and a linear module comprising a magnet and a sensor device that enable simple and cost-effective control of the linear module.
  • a further object of the invention is to provide a linear module with a compact structure. Another goal is to provide a linear module with reduced complexity that can be used flexibly and in a variety of ways, regardless of the control and installation environment.
  • a linear module comprising a spindle for rotation about an axis of rotation of the spindle and a spindle nut for converting a rotational movement of the spindle into an axial movement of the spindle nut.
  • the linear module also includes a coupling unit for axial movement along a guide rail, driven via the spindle nut.
  • the linear module also includes the guide rail for guiding the coupling unit, which runs parallel to the spindle.
  • the linear module includes a, preferably brushless, motor with a stator and a rotor for driving the spindle, a control device which is configured to control the motor and has at least one circuit board.
  • the linear module has a housing which at least partially encloses a housing interior and a carriage which is at least partially arranged outside the housing and is coupled to a movement of the coupling unit.
  • the carriage can be moved parallel to the guide rail by moving the coupling unit.
  • the motor, the control device, the spindle, the spindle nut and the guide rail are arranged in the interior of the housing.
  • the term “coupled” in relation to the coupling unit and the carriage means in this context that the coupling unit can be moved together with the carriage in that a mechanical and/or magnetic connection exists or can be established between the two.
  • the carriage and the coupling unit can have a magnet and/or magnetizable material or connecting elements, or Receiving areas for fasteners include.
  • the interior of the housing can be partially, in particular completely, enclosed by the housing, housing screw connections protruding from the housing, and opening levels of openings in the housing.
  • This movement is preferably driven by a brushless motor of the linear module, as this is subject to significantly less wear and has a longer service life compared to brushed motors.
  • the linear module can include a, preferably flexible, cover and the housing can have an opening which is at least partially covered by the cover.
  • the carriage is arranged at least partially, in particular completely, outside the housing, adjacent to an upper side of the cover, and is connected to the coupling unit, which is arranged adjacent to an underside of the cover.
  • the coupling unit can be arranged at least partially within the opening and protrude from the housing.
  • the carriage and the coupling unit can be detachably connected to one another mechanically or magnetically by connecting elements.
  • the cover prevents damage and contamination caused by dust or dirt, as well as the resulting wear and tear on the components inside the housing of the linear module.
  • the carriage and in particular the coupling unit can slide along the cover parallel to the spindle with little loss of friction.
  • the carriage may include at least one upper sliding member adjacent a top surface of the cover.
  • the coupling unit can have at least one lower sliding element adjacent to an underside of the cover.
  • the sliding elements of the carriage and/or the coupling unit can, however, be arranged adjacent to an interior and exterior region of the housing instead of on the cover.
  • the opening of the housing can extend in the longitudinal direction of the linear module over a large part of the housing, so that the carriage can be moved in the longitudinal direction along the opening.
  • the cover can be formed by a metal sheet, in particular comprising stainless steel.
  • the metal sheet can have a thickness less than 0.5 mm, in particular 0.3 mm, more particularly 0.2 mm.
  • the metal sheet can be flexibly deformable perpendicular to the metal sheet plane.
  • the metal sheet can be curved outwards, preferably in the area of the carriage. Moving the carriage can change the position of the curvature. so that at least a large part of the opening is always covered.
  • the slide can cover side openings in the curvature of the cover, further minimizing the penetration of contaminants into the housing interior while still allowing power to be transmitted to the slide.
  • the sliding elements adjacent to the bottom and top of the cover can be arranged at a distance from one another in the longitudinal direction of the linear module. At least two upper sliding elements can frame a lower sliding element in the longitudinal direction of the linear module. The upper sliding elements can be arranged closer to the opening of the linear module than the lower sliding element.
  • At least one surface of a sliding element can be arranged at an angle, optionally from 1° to 60°, preferably 5° to 30°, to the longitudinal direction of the linear module.
  • the surface of the sliding element can be at least partially convex or concave.
  • the surface of the sliding element can at least partially have a polynomial shape, in particular the shape of a fifth degree polynomial. This surface can maximize the surface area of the sliding element for coverage and reduce friction.
  • the lower sliding element can form an at least partially convex surface and the upper sliding element can form an at least partially concave surface.
  • the carriage and/or the coupling unit can contact the cover mainly, in particular exclusively, with the sliding elements. This means that a reliable and low-friction movement of the carriage along the cover can be achieved.
  • the motor can be arranged coaxially to the spindle, preferably in an end region of the spindle, so that the rotor and the spindle have the same axis of rotation.
  • the rotor can be rigidly connected to the spindle, in particular without a separate connecting element.
  • This arrangement of the motor, in particular the rotor, coaxially and particularly in the end region of the spindle means further space and cost savings.
  • fixing the rotor on the spindle offers the advantage of saving a mechanical gear and not requiring a separate clutch for power transmission.
  • the coupling unit can include a ball or roller recirculating guide, which has a large number of rollers or balls that enable low-friction running of the coupling unit relative to the guide rail.
  • the ball or roller recirculating guide can be arranged in a carriage of the linear module. Several ball or roller recirculating guides can also be arranged in one carriage.
  • the carriage can thus be designed to be movable relative to the guide rail.
  • the carriage can be rigidly connected to the coupling unit.
  • the ball or roller recirculating guide achieves lower friction of the carriage or the coupling unit on the guide rail and improves the bearing on the guide rail.
  • the linear module can include a holding brake.
  • the holding brake can be reversibly transferred from a holding state to a release state.
  • the hold state prevents the spindle from rotating and the release state allows the spindle to rotate.
  • the holding brake enables the position of the coupling unit and the carriage relative to the spindle to be reliably maintained in the holding state, even when load peaks occur.
  • the holding brake can be an electrical, in particular an electromagnetic, holding brake and have a mechanical translation element.
  • the electric holding brake is designed in such a way that the holding state can be achieved in a de-energized state of the holding brake, in particular by mechanically prestressing the mechanical translation element.
  • the mechanical translation element can comprise a restoring element, in particular a spring.
  • the holding brake in the de-energized state allows the load to continue to be held, even in the event of a power failure. This increases safety and reliability when using the linear module.
  • the holding brake only needs to be energized when the spindle is actively moving in order to be transferred to the release state.
  • the power consumption can be saved when passively holding the linear module in the holding state.
  • the holding brake can include a separate power supply or be powered through the connection of the linear module.
  • a separate power supply means that a holding brake can be easily retrofitted.
  • the holding brake can be arranged at a front end of the linear module, preferably in a holding brake cover of the linear module.
  • the holding brake can therefore be easily attached/replaced.
  • the holding brake can be arranged at one end of the spindle and the end of the spindle can have at least one radial projection and/or one radial recess.
  • the projection and/or the recess is at least partially positively coupled to a hub of the holding brake in the holding state, preferably also in the release state.
  • the hub of the holding brake and the end of the spindle can be at least partially, preferably completely, designed to complement each other.
  • partially positively coupled means that the end of the spindle meshes with the hub of the holding brake through a positive connection and/or a frictional connection.
  • the spindle can therefore only be rotated in the circumferential direction together with the holding brake or a component, in particular the hub, of the holding brake.
  • the hub of the holding brake can be rotatably mounted in the holding brake.
  • Such a coupling enables the position of the spindle to be held precisely at a position without current by transferring the holding brake from the release to the holding state by pretensioning the mechanical translation element. This minimizes power consumption and allows the angular position of the spindle to be maintained precisely.
  • the control device of the linear module can be configured to control at least two of the following parameters: a power supply to the motor, in particular for commutation of the motor, a position value defined by the relative distance of the carriage to an end of the spindle, a speed of movement of the coupling unit , an acceleration of the movement of the coupling unit, a force of the movement of the coupling unit, and a direction of movement of the coupling unit.
  • the separate setting of the parameters by the control device enables the linear module to be used flexibly for a large number of possible areas of application.
  • no external control of the parameters by an external control device is required. However, it can optionally or additionally be controlled by an external controller.
  • the speed, acceleration and/or force can be controlled separately depending on the axial direction of movement.
  • the value for at least one of these parameters can be set differently in one direction of movement by the control device than in another direction of movement, in particular in the opposite direction of movement.
  • the control device can also be configured to determine the position value, in particular by determining the revolutions and/or the angular position of the spindle.
  • the circuit board can be a rigid circuit board and the control device can have exactly a rigid circuit board.
  • rigid circuit board means a non-plastically deformable circuit board, which in particular has a flat planar surface on which the electronic components can be attached.
  • the use of exactly one rigid circuit board of the control device leads to space savings.
  • the linear module can alternatively comprise two, in particular rigid, circuit boards.
  • the arrangement of a single circuit board enables a short connection to the motor, which has a positive effect on electromagnetic compatibility.
  • the printed circuit board can include small and large electronic components in relation to the overall height perpendicular to a printed circuit board plane. At least one electronic component, preferably all large electronic components, in particular transistors and/or converters, are arranged on the edge of the circuit board, in particular on the edge of a longer side of the circuit board of the control device. This means that the space required by the circuit board in the interior of the housing can be reduced.
  • the electronic components can be mounted on the circuit board in such a way that they are mounted as far away as possible from the spindle axis and protrude into the housing interior to the sides of the spindle, since there is space available at this point.
  • the control device can include a connection for power voltage supply and a connection for communication with the control device.
  • Communication with the control device can enable external control and in particular external input of the parameters of the control device.
  • the linear module in particular the control device, can include an interaction element.
  • the interaction element includes setting elements and/or status display elements.
  • the adjusting elements are used to adjust the speed and/or force directly on the linear module.
  • An interaction element directly on the linear module means that no external electronics are required to operate the linear module. The adjustment options are possible directly on the linear module, so that simplified control is achieved.
  • an external control device can transmit an instruction to move to the predefined position to the internal control device of the linear module.
  • the control device can in turn control the motor based on this instruction to move the carriage to the predefined position.
  • Possible elements that can be adjusted with the interaction element are the potentiometers for the speed and the force depending on the direction of movement.
  • One direction of movement may be oriented along the guide rail toward the motor and the other direction of movement may be oriented along the guide rail away from the motor.
  • the control device can also be configured to automatically adjust commutation and regulation of the motor based on these settings.
  • the interaction element preferably has adjustment screws for the speed when extending and retracting (Speed IN/OUT) and/or an adjustment screw for the force.
  • the interaction element preferably includes status display elements that display the settings of the user's values and/or display the status of the device, preferably through lights, diodes, LEDs and/or a display.
  • These status display elements provide information about the linear module, preferably through LEDs.
  • the interaction element can be attached directly to the housing with fastening elements and can preferably serve at least partially as a housing cover.
  • the linear module can include at least one connection element, which is arranged on the carriage.
  • the linear module can comprise at least one further connection element, which is formed at one end or at both ends of the housing, in particular on the end faces of the housing, preferably on the covers.
  • connection elements allow flexible use of the linear module and an option to connect the linear module.
  • the linear module in particular the slide, can be connected, for example. B. be attached to an external device part.
  • a minimum cross-sectional dimension of the linear module orthogonal to the spindle axis is preferably never wider than 150%, in particular 130%, more particularly 120%, of an outside diameter of the motor, apart from the connections protruding from the housing, the interaction elements, the housing screw connections and the slide.
  • the outside diameter of the motor means the outside diameter of the outer part of the motor, i.e. either the stator as the outer part or the rotor as the outer part.
  • the housing is very compact, despite the internal mounting of the motor, the spindle, the spindle nut and the control device.
  • Bearing elements can be arranged coaxially with the spindle on both sides of the rotor.
  • the bearing elements can in particular be or include axial ball bearings, deep groove ball bearings, tapered roller bearings or cylindrical roller bearings.
  • the linear module can have a substantially polygonal housing, preferably with a substantially square cross-sectional area, in particular with a substantially rectangular or trapezoidal cross-sectional area.
  • a body of the housing can be made from an extruded aluminum profile.
  • the polygonal shape has the advantage that it makes it possible to accommodate a circuit board in the interior of the housing in as space-saving a manner as possible without increasing the size of the housing.
  • the housing of a linear module should ideally be made of a light but stable material.
  • An aluminum Extruded profile has a low weight, is cost-effective and is therefore well suited for a linear module.
  • the use of an extruded aluminum profile enables the linear module to have a very compact structure with the advantage that no external electronics or even cooling need to be used.
  • the linear module could easily be provided with additional internal cooling, such as fans or heat exchangers, or external cooling, since the stator coils, which are heated during operation, are preferably attached to the outside of the housing.
  • the size of the motor is therefore easy to adjust, which means the heat dissipation of the motor can be easily improved.
  • the housing can have the same cross-sectional dimension over its entire length, apart from the connections, the opening, the coupling unit, the slide, the housing screw connections, and the interaction elements.
  • the constant cross-sectional dimension enables simplified production of the housing and attachment of the components of the linear module in the housing interior.
  • the housing can include two front housing covers.
  • the housing preferably also comprises at least one body-side housing cover.
  • One of the front housing covers can also be a motor housing of the engine.
  • the other of the front housing covers can preferably store the spindle and/or be a holding brake housing for the holding brake.
  • the control device in particular the circuit board, can be covered with the body-side housing cover on which the interaction elements are arranged.
  • the housing cover can then be detachably attached to the housing body, such as screwed. This has the advantage that easy accessibility of the electronic components is guaranteed.
  • the circuit board can be easily replaced or a defect in the interaction elements can be repaired.
  • no complicated cabling insertions through drill holes and associated seals are required to introduce components into the interior of the housing.
  • Mounting the motor in the housing cover enables a compact design, as the front housing cover also forms the motor housing, thus saving space.
  • the housing cover of the motor can be formed in one piece, so that the motor is essentially completely located inside the housing cover.
  • Fastening elements for fastening the housing cover can be arranged so that a connecting groove of the housing and housing cover is arranged axially next to the motor.
  • the cover can be adapted to the dimensions of the rotor and/or stator and additional space can be saved in the housing interior, which leads to smaller external dimensions of the linear module.
  • a bearing element for supporting the spindle can also be located in the housing cover.
  • the housing cover for storing the spindle can be interchangeable with a cover that also serves as a holding brake housing for the holding brake. This enables flexible adaptation and/or expansion of the linear module to use a holding brake.
  • the covers can be flush with the housing in that the covers have the cross-sectional dimension of the housing.
  • determining the axial position of the slide and the angular position of the spindle is sometimes only possible with large components and therefore requires a lot of space.
  • determining the axial position and angular position makes it possible to draw conclusions about the position of the rotor in relation to the stator, so that the motor can be commutated and in particular a brushless motor can be used.
  • a linear module in particular as described above, comprises a brushless motor with a stator and rotor, a spindle, a spindle nut for converting a rotary movement of the spindle into an axial movement of a coupling unit.
  • the linear module further includes the coupling unit for axial movement along the guide rail, driven by the rotation of the spindle.
  • the linear module also includes a guide rail for guiding the coupling unit, which runs parallel to the spindle, and a carriage, which is coupled to the coupling unit. The carriage can be moved parallel to the spindle by moving the coupling unit.
  • the linear module can also include a control device which is configured to control the motor.
  • the linear module has at least one magnet on or in an end face of the rotor and/or the spindle, as well as a transmitter device essentially axial to an axis of rotation of the spindle.
  • the encoder device is configured to read the angular position of the magnet and/or determine the axial position of the carriage.
  • This attachment of the encoder device and the magnet has the advantage that the position of the magnet can be read out in a very space-saving manner.
  • the axial position of the slide can now be determined by the encoder device and optionally the control device.
  • the transmitter device can comprise at least one, preferably rigid, circuit board, which is arranged axially to the axis of rotation of the spindle.
  • the transmitter device in particular a circuit board, can be arranged at least partially in a circumferential direction to the spindle and not or not exclusively axially behind the axis of rotation.
  • the transmitter device and the control device can be rigidly connected to one another, in particular arranged on a circuit board.
  • the magnet can also be attached away from the axis of rotation, laterally on the end face of the spindle, while the encoder device is attached centrally axially to the spindle.
  • the information about the angular position results from the change in the direction of the magnetic field due to the rotation of the spindle.
  • the magnet is preferably arranged on the axis of rotation of the spindle, as this offers the advantage that no imbalance can arise.
  • the magnet can have the north pole on one side radially away from the axis of rotation and in particular have the south pole radially on the opposite side of the axis of rotation.
  • the magnet can be a disk magnet that is rotationally symmetrical about the axis of rotation.
  • the magnet preferably has a polarity orthogonal to the axis of the spindle. This polarization offers the advantage that it can be placed in the middle of the spindle without shifting the center of gravity and can be easily read.
  • a diametrical magnet is well suited for this application, but other magnet shapes are also possible.
  • the magnet with a sensor device for determining the angular position and axial position offers the advantage of great space savings, since the measurement of the axial position of the slide is only carried out by rotating the magnet, statically at the same point.
  • the magnet with a transmitter device can be used to determine the rotational speed of the rotor, the spindle, and/or commutation of the brushless motor based on the signal from the electronic transmitter device and/or control device.
  • the task is further solved by using a magnet on or in an end face of a spindle or the rotor of a linear module, preferably as described above.
  • An angular position of the magnet can be read using a transmitter device for determining the rotational speed of a spindle and/or commutation of a motor based on the signal from the electronic transmitter device and in particular a control device.
  • the encoder device in particular the control device, can control the rotational movement of the spindle and/or the commutation of the motor based on the read orientation of the magnet.
  • the position/angular position of the rotor to the stator must be known at all times.
  • the position of the rotor is also determined by the angular position of the magnet. This has the advantage that the relative position of the Ro- tor to the stationary stator can be measured at any time.
  • a brushless motor can be used.
  • a brushless motor preferably a BLDC motor
  • BLDC motor is more efficient than brushed motors or stepper motors, which have a high holding torque and are less dynamic, and has a longer service life due to lower wear.
  • the commutation of the motor i.e. the energization of the correct coils at the right time, must be carried out via the electronic components of the control device and/or the encoder device and the specific angular position.
  • Figure 1A a side view of an embodiment of the linear module according to the invention
  • Figure 1B a cross section of the design of the linear module according to Figure 1A,
  • Figure 2 a top view of the design of the linear module according to Figures 1A and 1B with a partial cross section
  • Figure 3A a longitudinal section of the design of the linear module according to Figure 2
  • Figure 3B a cross section of the design of the linear module according to Figure 3A,
  • Figure 4 a longitudinal section of another version of the linear module with a holding brake.
  • Figure 1A shows a side view of an embodiment of the linear module 101 according to the invention with a cuboid housing 21, a carriage 19 and an interaction element 12.
  • the housing 21 is made of an extruded aluminum profile and has a front housing cover 1, 3 at both longitudinal ends.
  • the housing covers 1, 3 are firmly attached to the linear module 101 with screws 28.
  • the first housing cover 1 extends in a longitudinal direction of the linear module 101 in order to be able to completely accommodate the motor 8 therein (see FIG. 3A).
  • the second housing cover 3 is provided for storing a spindle, which is arranged in a housing interior of the housing 21.
  • the housing 21 has two body-side housing covers 23, 231 on a front surface 217, which are also fastened with screws 28.
  • the housing covers 1, 3, 23, 231 thus enclose the housing interior of the housing 21.
  • the interaction element 12 is arranged on one of the body-side housing covers 23.
  • the interaction element 12 has three adjusting screws 122, 123 and three LEDs 121. Two of the adjusting screws 122 are separately provided for adjusting the speed of the carriage 19 in both longitudinal directions, IN/OUT.
  • the other adjusting screw 123 is intended for adjusting the force.
  • the three LEDs 121 in Fig. 1A show the state of the linear module 101.
  • the interaction element 12 has two separate housing screw connections 142 which enclose connections of the control device.
  • One of the two connections 141 is intended for the power voltage supply and the other of the two connections 141 is intended for communication with the internal connections of the electronic control device.
  • the control device can be configured, or a power supply to the motor, a position value of the carriage 19 relative to the spindle, a speed, an acceleration and/or a direction of movement of the carriage 19 can be individually adjusted.
  • the carriage 19 is arranged outside the housing 21 and can be moved along the longitudinal direction of the linear module 101 by controlling the spindle by the control device.
  • FIG. 1B A cross section along the dashed line A, which runs through the two housing screw connections 142 of the linear module 101, is shown in FIG. 1B shown.
  • the control device 14 has body-side connections 141, which are enclosed by the housing screw connections 142, so that the connections are arranged in the housing interior 211.
  • the connections 141 are thus routed to the outside through the body-side housing cover 23 and the housing screw connections 142 and are connected to a rigid circuit board 13.
  • the rigid circuit board 13 has a large number of electronic components 22.
  • the largest electronic components 22, in particular transistors and converters, are arranged in the outer regions of the circuit board 13 and protrude into the housing 21 on both sides of a spindle 5.
  • the spindle 5 and a spindle nut 51 thus have sufficient space available in the housing interior 211 without the housing 21 having to be enlarged.
  • the electronic components 22 are surrounded by a partition wall 215 running in a circumferential direction of the spindle 5 in order to be protected from damage and contamination.
  • the spindle 5 is coaxially surrounded by the spindle nut 51.
  • the spindle nut 51 is rigidly connected to a coupling unit 6, which is movable along a guide rail 7.
  • the guide rail 7 has a substantially rectangular cross-sectional profile, which has a recess 70 on opposite sides.
  • a carriage 61 with a recirculating ball guide, which is rigidly connected to the coupling, can be inserted into the recesses 70.
  • lung unit 6 is connected, grab to be guided.
  • the coupling unit 6 is also connected to the carriage 19, so that a movement of the coupling unit 6 also moves the carriage 19.
  • the coupling unit 6 is arranged below a cover 2 within an opening 212 of the housing 21.
  • the opening 212 extends over a large part of the linear module 101 in the longitudinal direction (see FIG. 3A).
  • the housing 21 also has two longitudinally extending profile grooves 213 for fastening the linear module 101 on an opposite side of the housing screw connections 142 and on a side opposite the slide 19 (see FIG. 1B).
  • the housing 21 has a longitudinal bore 214 in each corner with a thread for attaching the screws 28, so that the covers 1, 3 can be detachably attached.
  • FIG. 2 shows a top view of the design of the linear module 101 according to FIG. 1A and Figs. 1B with a partial cross section, so that the housing interior 211 of the cuboid housing 21 can be seen in the area of the control device 14.
  • the housing 21 has an opening on an upper side surface, which is covered by a rectangular steel sheet 2 as a cover and is detachably connected to the housing 21 at four corners with a screw 30.
  • the steel sheet 2 extends in the longitudinal direction parallel to the spindle 5 over a large part of the housing 21 including the covers 1, 3.
  • the spindle 5 also has a thread 54 so that the spindle nut 51 (see FIG. 1B) can be guided in the longitudinal direction of the spindle 5 without rotating itself.
  • the spindle 5 can thus convert the rotational movement about its axis of rotation D into an axial movement of the coupling unit 6 and the carriage 19 .
  • the carriage 19 has, on a top side 191, several connecting elements in the form of bores 18 with threads, so that the carriage 19 can be connected to an external device part in order to transmit force in the longitudinal direction of the linear module 101.
  • the carriage 19 is wider than the steel sheet 2 and is connected to the coupling unit laterally past the steel sheet 2 in an outer area with four screws 29. The coupling unit and the carriage 19 are thus movable along the steel sheet 2, driven by the spindle 5.
  • the control device 14 in the area of the body-side cover 23 can be configured by a user through the interaction elements 12 in order to adapt the control of the linear module 101, in particular the parameters for the control.
  • the control device 14 can be adapted and/or controlled through one of the connections 141.
  • the rigid circuit board 13 with the electronic components 22 is arranged essentially parallel to the front surface 217 in the housing interior 211.
  • FIG. 3A shows a longitudinal section of the design of the linear module 101 according to FIG. 2 which perpendicularly through the axis of rotation D in Fig. 2 runs.
  • the housing 21 encloses the housing interior 211 together with the covers 1, 3 and the steel sheet 2.
  • the steel sheet 2 forms a curvature 24, which is contacted centrally on an underside by a partially convex sliding element 194 of the coupling unit 6 and is contacted on the upper side by two concave sliding elements 193 of the carriage 19.
  • the two sliding elements 193 are arranged on the edge of the carriage 19 so that they cover the central sliding element 194 Frame the coupling unit 6 in the longitudinal direction of the linear module 101.
  • One of the front covers 1 serves as a motor housing for a brushless motor 8, which is arranged coaxially with the spindle 5.
  • the motor 8 has a stator 9, which is arranged immovably in the housing 21, and a rotor 10, which is arranged coaxially within the stator 9 and is rigidly connected to the spindle 5.
  • the motor 8 can convert current into a rotational movement of the rotor 10 at the right time by energizing the coils of the stator 9.
  • the rotational movement of the rotor 10 can thus drive the spindle 5, which is rigidly connected to the rotor 10.
  • the spindle nut 51 with the coupling unit 6 can be guided along the guide rail 7, which runs parallel to the spindle 5 in the housing interior 211.
  • the coupling unit 6 can thus be displaced in the longitudinal direction within the opening 212, so that the curvature 24 of the steel sheet 2 moves with it.
  • a ball bearing 17 is arranged at the end of the linear module 101 adjacent to the rotor 10. On the opposite side of the rotor 10, two ball bearings 171 are arranged next to each other to support the spindle 5.
  • the opposite front cover 3 also has a ball bearing 20.
  • a magnet 15 is arranged in the front cover 1 behind the spindle 5 with the axis of rotation D.
  • the magnet 15 is rigidly connected to a connecting element 55, which is rigidly connected to the spindle 5.
  • the rotor 10 is also arranged on the connecting element 55.
  • the polarity of the magnet 15 runs in the direction radially outwards of the linear module 101.
  • a transmitter device 16 Reading out an angular position of the spindle and/or the axial position of the carriage 19 is arranged.
  • a circuit board 161 of the encoder device 16 is also connected to the control device of the linear module 101, so that the control, in particular the motor control of the brushless motor 8, can be adjusted with regard to the angular position and/or position of the coupling unit 6.
  • FIG. 3B shows a cross section of the linear module 101 perpendicular to the straight line C from FIG. 3A.
  • the housing 21 has longitudinal profile grooves 213 on two side surfaces. In the corners of the housing 21 there are also holes 214 for connecting the covers.
  • the carriage 19 in Fig. 3B is arranged outside the housing 21 and the coupling unit 6 is arranged within the longitudinally extending opening 212.
  • the carriage 19 and the coupling unit 6 together enclose an area of the steel sheet 2 with the curvature 24 (see FIG. 3A).
  • the coupling unit 6 is also rigidly connected to the carriage 61 with the recirculating ball guide, so that the coupling unit 6 can be guided along the guide rail 7 in opposite recesses 70 in the guide rail 7.
  • the spindle nut which engages in the thread of the spindle 5 to move the coupling unit 6 in the axial direction, is separated from an area 216 for receiving the control device of the housing interior 211 by a partition wall 215 of the housing 21.
  • Figure 4 shows a further embodiment of a linear module 101 with an electric holding brake 11 in a front cover 3 opposite a front cover 1 for supporting a brushless motor 8 for driving a spindle 5.
  • the embodiment of the linear module 101 in FIG. 4 identical to the previously described linear module 101 in Fig. 1A to Fig. 3B, so that no further description is necessary.
  • the cover 3 which serves as a holding brake housing for the holding brake 11, also has a ball bearing 20 for supporting a spindle 5.
  • the holding brake 11 is in a holding state 111, so that a rotational movement of the spindle 5 is prevented.
  • the holding brake 11 has a braking element 115.
  • the holding brake 11 has a disk-shaped hub 114.
  • the hub 114 is rotatably mounted relative to the brake element 115 (not explicitly shown in FIG. 4).
  • the hub 114 is positively coupled to a radial recess 53 at one end of the spindle 5.
  • the hub 114 is arranged coaxially around the end of the spindle 5. The hub 114 of the holding brake 11 and the end of the spindle thus engage one another in a form-fitting manner both in a release state and in the holding state 111.
  • the hub 114 By energizing the holding brake 11, the hub 114 is released electromagnetically against a bias of a restoring element (not shown in FIG. 4) in order to enable the spindle 5 to rotate.
  • the carriage 19 In the released state of the holding brake 11, the carriage 19 can be moved by a rotary movement of the spindle 5.
  • the holding state 111 of the holding brake 11 in which the holding brake 11 is not or only insufficiently energized, the spindle 5 together with the hub 114 cannot be rotated.
  • the holding state 111 of the holding brake 11 is automatically assumed in a de-energized state by the holding brake 11 due to the pretension of the restoring element.
  • the spindle 5 and the hub 114 are prevented from rotating in the holding state 111 by a frictional connection.
  • the hub 114 can be pressed against a component of the holding brake 11 or the housing 21 by the restoring element.
  • a separate component of the holding brake 11, in particular the brake element 115, can be pressed against the hub 114.

Landscapes

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Abstract

Ein Linearmodul (101) umfassend eine Spindel (5) zur Drehung um eine Drehachse (D) der Spindel (5), eine Spindelmutter (51) zum Umwandeln einer Drehbewegung der Spindel (5) in eine axiale Bewegung der Spindelmutter (51), eine Kopplungseinheit (6) zum axialen Bewegen entlang einer Führungsschiene (7), angetrieben über die Spindelmutter (51), die Führungsschiene (7) zum Führen der Kopplungseinheit (6) welche parallel zu der Spindel (5) verläuft, einen, vorzugsweise bürstenlosen, Motor (8) mit einem Stator (9) und einem Rotor (10) zum Antreiben der Spindel (5), eine Steuervorrichtung (14), welche zum Steuern des Motors (8) konfiguriert ist und mindestens eine Leiterplatte (13) umfasst, ein Gehäuse (21), welches einen Gehäuseinnenraum (211) zumindest teilweise umschliesst und einen Schlitten (19), welcher zumindest teilweise ausserhalb des Gehäuses (21)angeordnet ist und mit einer Bewegung der Kopplungseinheit (6) koppelbar ist, sodass der Schlitten (19) durch die Bewegung der Kopplungseinheit (6) parallel zu der Führungsschiene (7) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (8), die Steuervorrichtung (14), die Spindel (5), die Spindelmutter (51) und die Führungsschiene (7) im Gehäuseinnenraum (211) angeordnet sind.

Description

Linearmodul , Linearmodul mit einem Magneten und Gebervorrichtung zur Bestimmung der Winkellage und/oder Ermittlung der Position eines Schlittens
Die Erfindung betri f ft ein Linearmodul sowie ein Linearmodul mit einem Magneten zur Bestimmung der Winkellage und/oder Ermittlung der Position eines Schlittens .
Bekannte Linearmodule , oftmals auch als Linearachse oder auch Lineareinheit bezeichnet , umfassen einen elektrischen Motor, um eine Bewegung eines Schlittens anzutreiben, indem eine Drehbewegung des Motors in eine Linearbewegung des Schlittens umgewandelt wird .
Bekannte Konstruktionen von Linearmodulen sind j edoch viel fach kompli ziert zu bedienen, da der Einsatz von Linearmodulen oft auf begrenztem Raum, insbesondere im Maschineninnenraum, erfolgt . Üblicher Weise müssen zudem externe und/oder grosse Steuervorrichtungen vorgesehen werden, um die Linearmodule zu steuern . Die externen Steuervorrichtungen werden oftmals im Schaltschrank der Maschine , in der das Linearmodul angebracht ist , o- der ausserhalb des Gehäuses des Linearmoduls angebracht .
EP 0 647 503 A2 of fenbart eine Linearführungseinheit und -system mit einer Viel zahl von Abdeckungen zur Übertragung einer linearen Antriebskraft .
Die Steuerung bekannter Linearmodule im Stand der Technik ist j edoch komplex und weist lediglich aufwendige Einstellmöglichkeiten der Steuerung und/oder Kompatibilität zu der Installationsumgebung oder zu anderen Modulen auf . Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es , diese und andere Nachteile des Stands der Technik zu überwinden . Insbesondere soll die Erfindung ein Linearmodul und ein Linearmodul umfassend einen Magneten und eine Gebervorrichtung zur Verfügung stellen, die eine einfache und kostengünstige Steuerung des Linearmoduls ermöglichen .
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es , ein Linearmodul mit einem kompakten Aufbau zur Verfügung zu stellen . Zudem ist es ein Ziel , ein Linearmodul mit reduzierter Komplexität zur Verfügung zu stellen, welches unabhängig von der Steuerung und der Installationsumgebung, flexibel und vielseitig einsetzbar ist .
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Linearmodul umfassend eine Spindel zur Drehung um eine Drehachse der Spindel und eine Spindelmutter zum Umwandeln einer Drehbewegung der Spindel in eine axiale Bewegung der Spindelmutter . Das Linearmodul umfasst zudem eine Kopplungseinheit zum axialen Bewegen entlang einer Führungsschiene , angetrieben über die Spindelmutter . Das Linearmodul umfasst zudem die Führungsschiene zum Führen der Kopplungseinheit , welche parallel zu der Spindel verläuft . Zudem umfasst das Linearmodul einen, vorzugsweise bürstenlosen, Motor mit einem Stator und einem Rotor zum Antreiben der Spindel , eine Steuervorrichtung, welche zum Steuern des Motors konfiguriert ist und mindestens eine Leiterplatte hat . Das Linearmodul hat ein Gehäuse , welches einen Gehäuseinnenraum zumindest teilweise umschliesst und einen Schlitten, welcher zumindest teilweise ausserhalb des Gehäuses angeordnet ist und mit einer Bewegung der Kopplungseinheit gekoppelt ist . Der Schlitten ist durch die Bewegung der Kopplungseinheit parallel zur Führungsschiene bewegbar . Der Motor, die Steuervorrichtung, die Spindel , die Spindelmutter und die Führungsschiene sind im Gehäuseinnenraum angeordnet . Der Begri f f " gekoppelt" in Bezug auf die Kopplungseinheit und den Schlitten bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Kopplungseinheit mit dem Schlitten zusammen bewegbar ist , indem eine mechanische und/oder magnetische Verbindung zwischen beiden besteht oder herstellbar ist . Zu diesem Zweck kann der Schlitten und die Kopplungseinheit etwa einen Magnet und/oder magnetisierbares Material oder Verbindungselemente , bzw . Aufnahmebereiche für Verbindungselemente , umfassen .
Der Gehäuseinnenraum kann durch das Gehäuse , aus dem Gehäuse hervorstehende Gehäuseverschraubungen, sowie Öf fnungsebenen von Öf fnungen des Gehäuses teilweise , insbesondere vollständig, umschlossen sein .
Vorzugsweise wird diese Bewegung durch einen bürstenlosen Motor des Linearmoduls angetrieben, da dieser deutlich weniger Verschleiss unterliegt und eine höhere Lebensdauer im Vergleich zu bürstenbehafteten Motoren aufweist .
Das Linearmodul kann eine , vorzugsweise flexible , Abdeckung umfassen und das Gehäuse eine Öf fnung aufweisen, welche mit der Abdeckung zumindest teilweise abgedeckt ist . Der Schlitten ist zumindest teilweise , insbesondere vollständig, ausserhalb des Gehäuses , angrenzend an eine Oberseite der Abdeckung, angeordnet und mit der Kopplungseinheit , welche angrenzend an eine Unterseite der Abdeckung angeordnet ist , verbunden .
Die Kopplungseinheit kann zumindest teilweise innerhalb der Öf fnung angeordnet sein und aus dem Gehäuse herausragen . Der Schlitten und die Kopplungseinheit können durch Verbindungselemente lösbar miteinander mechanisch oder magnetisch verbunden sein .
Die Abdeckung verhindert Schäden und Verunreinigungen durch Staub, oder Dreck, sowie dadurch verursachten Verschleiss der Bestandteile im Gehäuseinnenraum des Linearmoduls .
Der Schlitten und insbesondere die Kopplungseinheit können mit geringem Reibungsverlust an der Abdeckung parallel zur Spindel entlang gleiten . Der Schlitten kann zumindest ein oberes Gleitelement angrenzend an eine Oberseite der Abdeckung aufweisen . Zudem kann die Kopplungseinheit mindestens ein unteres Gleitelement angrenzend an eine Unterseite der Abdeckung aufweisen .
Bei einer Aus führungs form mit einem magnetisch gekoppelten Schlitten und Kopplungseinheit , können die Gleitelemente des Schlittens und/oder der Kopplungseinheit hingegen angrenzend an einen Innen- und Aussenbereich des Gehäuses statt an der Abdeckung angeordnet sein .
Die Öf fnung des Gehäuses kann sich in der longitudinalen Richtung des Linearmoduls über einen Grossteil des Gehäuses erstrecken, sodass der Schlitten in longitudinaler Richtung entlang der Öf fnung bewegbar ist .
Die Abdeckung kann durch ein Metallblech, insbesondere umfassend rostfreien Stahl , gebildet werden . Das Metallblech kann eine geringere Dicke als 0 , 5 mm, insbesondere 0 , 3 mm, weiter insbesondere 0 , 2 mm haben . Das Metallblech kann senkrecht zur Metallblechebene flexibel verformbar sein . Das Metallblech kann, vorzugsweise im Bereich des Schlittens , nach aussen gewölbt sein . Eine Bewegung des Schlittens kann die Position der Wölbung ver- schieben, sodass immer zumindest ein Grossteil der Öf fnung abgedeckt ist .
Der Schlitten kann seitliche Öf fnungen der Wölbung der Abdeckung abdecken, sodass das Eindringen von Verunreinigungen in den Gehäuseinnenraum weiter minimiert wird und dennoch eine Kraftübertragung auf den Schlitten ermöglicht wird .
Die Gleitelemente angrenzend an der Unterseite und Oberseite der Abdeckung können in longitudinaler Richtung des Linearmoduls be- abstandet voneinander angeordnet sein . Mindestens zwei obere Gleitelemente können ein unteres Gleitelement in longitudinaler Richtung des Linearmoduls einrahmen . Die oberen Gleitelemente können näher an der Öf fnung des Linearmoduls angeordnet sein als das untere Gleitelement .
Mindestens eine Fläche eines Gleitelements kann in einem Winkel , optional von 1 ° bis 60 ° , vorzugsweise 5 ° bis 30 ° , zur longitudinalen Richtung des Linearmoduls angeordnet sein . Die Fläche des Gleitelements kann zumindest teilweise konvex oder konkav sein . Die Fläche des Gleitelements kann zumindest teilweise eine polynomförmige Form aufweisen, insbesondere die Form eines Polynoms fünften Grades . Diese Fläche kann die auf liegende Fläche des Gleitelements zur Abdeckung maximieren und die Reibung reduzieren . Insbesondere kann das untere Gleitelement eine zumindest teilweise konvexe Fläche bilden und das obere Gleitelement eine zumindest teilweise konkave Fläche bilden .
Der Schlitten und/oder die Kopplungseinheit kann die Abdeckung hauptsächlich, insbesondere ausschliesslich, mit den Gleitelementen berühren . Somit kann eine zuverlässige und reibungsarme Bewegung des Schlittens entlang der Abdeckung erzielt werden . Der Motor kann koaxial zu der Spindel , vorzugsweise in einem Endbereich der Spindel angeordnet sein, sodass der Rotor und die Spindel dieselbe Drehachse aufweisen . Zudem kann der Rotor starr mit der Spindel verbunden sein, insbesondere ohne ein separates Verbindungselement .
Diese Anordnung des Motors , insbesondere Rotors , koaxial und insbesondere in dem Endbereich der Spindel bedeutet eine weitere Platz- und Kostenersparnis .
Die vorzugsweise Fixierung des Rotors auf der Spindel bietet den Vorteil ein mechanisches Getriebe zu sparen und keine separate Kupplung zur Kraftübertragung zu benötigen .
Dies hat zur Folge , dass die Lagerung der Spindel auch die Lagerung des Motors ist , und somit weniger Bestandteile benötigt werden und die Kosten minimiert werden .
Die Kopplungseinheit kann eine Kugel- oder Rollenumlauf führung umfassen, welche eine Viel zahl von Rollen oder Kugeln aufweist , die einen reibungsarmen Lauf der Kopplungseinheit relativ zu der Führungsschiene ermöglichen .
Die Kugel- oder Rollenumlauf führung kann in einem Laufwagen des Linearmoduls angeordnet sein . Es können zudem mehrere Kugel- o- der Rollenumlauf führungen in einem Laufwagen angeordnet sein .
Der Laufwagen kann somit beweglich relativ zu der Führungsschiene ausgebildet sein . Zudem kann der Laufwagen starr mit der Kopplungseinheit verbunden sein .
Die Kugel- oder Rollenumlauf führung erzielt eine geringere Reibung des Laufwagens oder der Kopplungseinheit an der Führungsschiene und verbessert die Lagerung an der Führungsschiene . Das Linearmodul kann eine Haltebremse umfassen . Die Haltebremse kann von einem Haltezustand in einen Freigabezustand reversibel überführbar sein . Der Haltezustand verhindert eine Drehbewegung der Spindel und der Freigabezustand ermöglicht eine Drehbewegung der Spindel .
Die Haltebremse ermöglicht , dass die Position der Kopplungseinheit und des Schlittens relativ zu der Spindel in dem Haltezustand zuverlässig gehalten werden kann, selbst wenn Belastungsspitzen auftreten .
Die Haltebremse kann eine elektrische , insbesondere eine elektromagnetische , Haltebremse sein und ein mechanisches Übersetzungselement aufweisen .
Die elektrische Haltebremse ist so ausgebildet , dass der Haltezustand in einem stromlosen Zustand der Haltebremse erzielbar ist , insbesondere indem das mechanische Übersetzungselement mechanisch vorgespannt ist .
Das mechanische Übersetzungselement kann ein Rückstellelement umfassen, insbesondere eine Feder .
Die Haltebremse im stromlosen Zustand erlaubt es weiterhin eine Last zu halten, selbst im Falle eines Stromaus falls . Somit wird die Sicherheit und Zuverlässigkeit bei Verwendung des Linearmoduls erhöht .
Zudem muss die Haltebremse somit lediglich bei aktiver Bewegung der Spindel bestromt werden, um in den Freigabezustand überführt zu werden . In Abhängigkeit der Last und der aktiven Betriebsdau- er des Linearmoduls kann somit der Stromverbrauch beim passiven Halten des Linearmoduls im Haltezustand eingespart werden .
Die Haltebremse kann eine separate Stromzufuhr umfassen oder durch den Anschluss des Linearmoduls bestromt werden . Eine separate Stromzufuhr ermöglicht , dass eine Haltebremse leicht nachgerüstet werden kann .
Die Haltebremse kann an einem stirnseitigen Ende des Linearmoduls , vorzugsweise in einem Haltebremsedeckel des Linearmoduls , angeordnet sein . Die Haltebremse kann somit leicht ange- bracht/ausgetauscht werden .
Die Haltebremse kann an einem Ende der Spindel angeordnet sein und das Ende der Spindel zumindest einen radialen Vorsprung und/oder eine radiale Vertiefung aufweisen . Der Vorsprung und/oder die Vertiefung ist mit einer Nabe der Haltebremse im Haltezustand, vorzugsweise zudem im Freigabezustand, zumindest teilweise formschlüssig gekoppelt .
Die Nabe der Haltebremse und das Ende der Spindel können zumindest teilweise , vorzugsweise vollständig, komplementär zueinander ausgebildet sein .
Teilweise formschlüssig gekoppelt bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Ende der Spindel durch einen Formschluss und/oder einen Kraftschluss mit der Nabe der Haltebremse ineinandergrei ft . Somit kann die Spindel nur noch gemeinsam mit der Haltebremse oder einem Bestandteil , insbesondere der Nabe , der Haltebremse in Umfangsrichtung drehbar sein .
Die Nabe der Haltebremse kann drehbar in der Haltebremse gelagert sein . Eine solche Kopplung ermöglicht , dass die Position der Spindel durch das Überführen der Haltebremse vom Freigabe- in den Haltezustand durch eine Vorspannung des mechanischen Übersetzungselements präzise an einer Position stromlos gehalten werden kann . Somit wird der Stromverbrauch minimiert und eine Winkellage der Spindel kann präzise gehalten werden .
Die Steuervorrichtung des Linearmoduls kann konfiguriert sein, um zumindest zwei der folgenden Parameter zu steuern : eine Stromzufuhr des Motors , insbesondere zur Kommutierung des Motors , einen Positionswert , definiert durch den relativen Abstand des Schlittens zu einem Ende der Spindel , eine Geschwindigkeit der Bewegung der Kopplungseinheit , eine Beschleunigung der Bewegung der Kopplungseinheit , eine Kraft der Bewegung der Kopplungseinheit , und eine Bewegungsrichtung der Kopplungseinheit .
Die separate Einstellung der Parameter durch die Steuervorrichtung ermöglicht , dass das Linearmodul für eine Viel zahl von möglichen Anwendungsbereichen flexibel eingesetzt werden kann . Zudem wird keine externe Steuerung der Parameter durch eine externe Steuervorrichtung benötigt . Es kann j edoch optional oder zusätzlich auch eine Steuerung durch eine externe Steuerung vorgenommen werden .
Die Geschwindigkeit , Beschleunigung und/oder Kraft kann in Abhängigkeit der axialen Bewegungsrichtung separat steuerbar sein . Der Wert für zumindest einen dieser Parameter kann in eine Bewegungsrichtung durch die Steuervorrichtung anders eingestellt werden als in eine andere Bewegungsrichtung, insbesondere in entgegengesetzte Bewegungsrichtung . Die Steuervorrichtung kann zudem konfiguriert sein den Positionswert zu ermitteln, insbesondere indem die Umdrehungen und/oder die Winkellage der Spindel bestimmt wird .
Die Leiterplatte kann eine starre Leiterplatte sein und die Steuervorrichtung kann genau eine starre Leiterplatte aufweisen .
Mit dem Begri f f " starre Leiterplatte" ist in diesem Zusammenhang eine nicht plastisch verformbare Leiterplatte gemeint , die insbesondere eine ebene planare Fläche aufweist , auf der die elektronischen Bauelemente angebracht werden können .
Die Nutzung von genau einer starren Leiterplatte der Steuervorrichtung führt zu einer Platzersparnis . Das Linearmodul kann alternativ zwei , insbesondere starre , Leiterplatten umfassen .
Die Anbringung nur einer einzigen starren Leiterplatte der Steuervorrichtung unter einer der Seiten des Linearmoduls setzt voraus , dass die Steuervorrichtung hinsichtlich des begrenzten Platzes des Gehäuseinnenraums optimiert ist , und alle elektronischen Bauelemente auf der starren Leiterplatte angebracht werden können, vorzugsweise ohne die Dimensionen im Vergleich zu bekannten Linearmodulen zu erhöhen .
Des Weiteren ermöglicht die Anordnung einer einzigen Leiterplatte eine kurze Verbindung zum Motor, was das elektromagnetische Verträglichkeitsverhalten positiv beeinflusst .
Die Leiterplatte kann in Bezug auf die Bauhöhe senkrecht zu einer Leiterplattenebene kleine und grosse elektronische Bauelemente umfassen . Zumindest ein elektronisches Bauelement , bevorzugt alle grossen elektronischen Bauelemente , insbesondere Transistoren und/oder Wandler, sind am Rand der Leiterplatte , insbesondere am Rand einer längeren Seite der Leiterplatte der Steuervorrichtung angeordnet . Somit kann der Platzverbrauch der Leiterplatte im Gehäuseinnenraum reduziert werden . Die elektronischen Bauelemente können so auf der Leiterplatte angebracht , dass sie möglichst weit weg von der Spindelachse angebracht sind, und in den Gehäuseinnenraum zu den Seiten der Spindel ragen, da an dieser Stelle Platz zur Verfügung steht .
In Bezug auf die Leiterplatte bedeutet das , dass die grösseren elektronischen Bauelemente möglichst am Rand der längeren Seiten der Leiterplatte mit der längsten Ausdehnung der elektronischen Bauelemente senkrecht zur Leiterplatte angebracht sind .
Die Steuervorrichtung kann einen Anschluss zur Leistungs- Spannungsversorgung und einen Anschluss zur Kommunikation mit der Steuervorrichtung umfassen .
Die Kommunikation mit der Steuervorrichtung kann eine externe Steuerung ermöglichen und insbesondere eine externe Eingabe der Parameter der Steuervorrichtung .
Zwei separate Anschlüsse ermöglichen, dass ein grosses Mass an Sicherheit im Falle eines Defekts oder Aus falls sichergestellt ist , da die Leistungsversorgung von der Steuerung unabhängig ist .
Das Linearmodul , insbesondere die Steuervorrichtung, kann ein Interaktionselement umfassen . Das Interaktionselement umfasst Einstellelemente und/oder Zustandsanzeigeelemente . Die Einstellelemente dienen zur Geschwindigkeitsverstellung und/oder Kraftverstellung direkt an dem Linearmodul . Ein Interaktionselement direkt auf dem Linearmodul ermöglicht , dass keine externe Elektronik zum Betreiben des Linearmoduls benötigt wird . Die Verstellungsmöglichkeiten sind direkt an dem Linearmodul möglich, sodass eine vereinfachte Steuerung erzielt wird .
Dies hat den Vorteil , dass j eder Nutzer ohne Softwarekenntnisse das Linearmodul in Betrieb nehmen kann und es sich somit für eine Viel zahl von Verwendungen eignet .
Zum Bewegen des Schlittens auf eine vordefinierte Position, kann eine externe Steuervorrichtung eine Anweisung zum Anfahren der vordefinierten Position an die interne Steuervorrichtung des Linearmoduls übertragen . Die Steuervorrichtung kann wiederum den Motor auf Basis dieser Anweisung steuern, um den Schlitten an die vordefinierte Position zu bewegen .
Mögliche Elemente , die mit dem Interaktionselement eingestellt werden können, sind die Potentiometer für die Geschwindigkeit und die Kraft in Abhängigkeit der Bewegungsrichtung . Eine Bewegungsrichtung kann entlang der Führungsschiene zum Motor hin ausgerichtet sein und die andere Bewegungsrichtung kann entlang der Führungsschiene vom Motor weg ausgerichtet sein . Die Steuervorrichtung kann zudem dazu konfiguriert sein eine Kommutierung und eine Regelung des Motors basierend auf diesen Einstellungen automatisch anzupassen .
Vorzugsweise weist das Interaktionselement Einstellschrauben für die Geschwindigkeit beim Aus fahren und beim Einfahren ( Speed IN/OUT ) und/oder eine Einstellschraube für die Kraft auf .
Das Interaktionselement umfasst vorzugsweise Zustandsanzeigeelemente , die die Einstellungen der Werte des Nutzers anzeigen und/oder den Zustand des Geräts , vorzugsweise durch Leuchten, Dioden, LEDs und/oder ein Display, anzeigen .
Dies hat den Vorteil , dass der Nutzer des Linearmoduls über einen visuellen Output den Zustand des Linearmoduls auslesen kann, ohne externe Hardware und/oder Software zu benötigen .
Diese Zustandsanzeigeelemente geben Informationen des Linearmoduls an, vorzugsweise durch LEDs .
Das Interaktionselement kann mit Befestigungselementen unmittelbar auf dem Gehäuse angebracht sein und vorzugsweise zumindest teilweise als Gehäusedeckel dienen .
Das Linearmodul kann mindestens ein Anschlusselement umfassen, welches an dem Schlitten angeordnet ist . Das Linearmodul kann mindestens ein weiteres Anschlusselement umfassen, welches an einem Ende oder j eweils an beiden Enden des Gehäuses ausgebildet ist , insbesondere an den Stirnseiten des Gehäuses , vorzugsweise an den Deckeln .
Die Anschlusselemente erlauben eine flexible Nutzung des Linearmoduls und eine Möglichkeit das Linearmodul anzuschliessen . Mit den Anschlusselementen kann das Linearmodul , insbesondere der Schlitten, z . B . an einem externen Geräteteil befestigt werden .
Eine minimale Querschnittsabmessung des Linearmoduls orthogonal zu der Spindelachse ist vorzugsweise niemals breiter als 150% , insbesondere 130% , weiter insbesondere 120% , eines Aussendurchmessers des Motors , abgesehen von den aus dem Gehäuse ragenden Anschlüssen, den Interaktionselementen, den Gehäuseverschraubungen und dem Schlitten . Mit dem Aussendurchmesser des Motors ist der Aussendurchmesser des äusseren Teils des Motors , also entweder der Stator als äusserer Teil oder der Rotor als äusserer Teil gemeint .
Somit ist zumindest eine Dimension des Gehäuses nur unwesentlich breiter als der Motor . Dies hat den Vorteil , dass das Gehäuse , trotz interner Anbringung des Motors , der Spindel , der Spindelmutter und der Steuervorrichtung, sehr kompakt ist .
Koaxial zu der Spindel , beidseitig des Rotors , können Lagerelemente angeordnet sein . Die Lagerelemente können insbesondere Axialkugellager, Rillenkugellager, Kegelrollenlager oder Zylinderrollenlager sein oder diese umfassen .
Dies hat den Vorteil , dass durch die relativ breite Lagerung der Rotor gut abgestützt ist , die Lastenverteilung für den Motor verbessert wird und gleichzeitig eine gute Abstützung der Spindel gegeben ist . Somit wird eine längere Lauf zeit des Linearmoduls gewährleistet .
Das Linearmodul kann ein im Wesentlichen vieleckiges Gehäuse aufweisen, bevorzugt mit einer im Wesentlichen viereckigen Querschnitts fläche , insbesondere mit einer im Wesentlichen rechteckigen oder trapez förmigen Querschnitts fläche . Zudem kann ein Körper des Gehäuses aus einem Aluminium-Strangpressprofil gefertigt sein .
Die vieleckige Form hat den Vorteil , dass sie es ermöglicht eine Leiterplatte möglichst platzsparend, ohne Vergrösserung des Gehäuses , im Gehäuseinnenraum unterzubringen .
Das Gehäuse eines Linearmoduls sollte idealer Weise aus einem leichten, aber stabilen Material gefertigt sein . Ein Aluminium- Strangpressprofil weist ein geringes Gewicht auf , ist kostengünstig und eignet sich daher gut für ein Linearmodul . Die Verwendung eines Aluminium-Strangpressprofil ermöglicht dem Linearmodul einen sehr kompakten Aufbau mit dem Vorteil , dass keine externe Elektronik oder gar Kühlung verwendet werden muss .
Dennoch könnte das Linearmodul leicht mit zusätzlicher interner Kühlung, wie Lüftern oder Wärmetauschern, oder externer Kühlung versehen werden, da die im Betrieb erwärmten Spulen des Stators vorzugsweise aussen im Gehäuse angebracht sind .
Die Grösse des Motors ist somit leicht anzupassen, wodurch die Wärmeableitung des Motors leicht verbessert werden kann .
Das Gehäuse kann über die gesamte Länge die gleiche Quer- schnittsdimension aufweisen, abgesehen von den Anschlüssen, der Öf fnung, der Kopplungseinheit , dem Schlitten, den Gehäuseverschraubungen, und den Interaktionselementen .
Die gleichbleibende Querschnittsdimension ermöglicht eine vereinfachte Herstellung des Gehäuses und Anbringung der Komponenten des Linearmoduls im Gehäuseinnenraum .
Das Gehäuse kann zwei stirnseitige Gehäusedeckel umfassen . Vorzugsweise umfasst das Gehäuse zudem mindestens einen körperseitigen Gehäusedeckel . Einer der stirnseitigen Gehäusedeckel kann gleichzeitig ein Motorgehäuse des Motors sein . Der andere der stirnseitigen Gehäusedeckel kann vorzugsweise die Spindel lagern und/oder ein Haltebremsegehäuse der Haltebremse sein .
Die Steuervorrichtung, insbesondere die Leiterplatte , kann mit dem körperseitigen Gehäusedeckel abgedeckt werden, auf dem die Interaktionselemente angeordnet sind . Der Gehäusedeckel kann da- für am Gehäusekörper lösbar befestigt sein, wie beispielsweise verschraubt sein . Dies hat den Vorteil , dass somit eine leichte Zugänglichkeit der elektronischen Bestandteile gewährleistet ist . Ausserdem kann somit die Leiterplatte unkompli ziert ausgetauscht werden, oder ein Defekt der Interaktionselemente behoben werden . Zudem sind keine kompli zierten Einführungen der Verkabelung durch Bohrlöcher und damit einhergehenden Abdichtungen benötigt , um Komponenten in das Gehäuseinnere einzuführen .
Die Anbringung des Motors im Gehäusedeckel ermöglicht eine kompakte Konstruktion, da der stirnseitige Gehäusedeckel gleichzeitig das Motorgehäuse bildet und somit Platz gespart wird .
Der Gehäusedeckel des Motors kann einteilig ausgebildet sein, sodass sich der Motor im Wesentlichen vollständig innerhalb des Gehäusedeckels befindet . Befestigungselemente zum Befestigen des Gehäusedeckels können so angeordnet sein, dass eine Verbindungsnut von Gehäuse und Gehäusedeckel axial neben dem Motor angeordnet ist .
Somit kann der Deckel den Dimensionen von Rotor und/oder Stator angepasst werden und zusätzlich Platz im Gehäuseinnenraum eingespart werden, was zu kleineren Aussendimensionen des Linearmoduls führt .
Im Gehäusedeckel kann sich weiterhin ein Lagerelement zur Lagerung der Spindel befinden .
Der Gehäusedeckel zur Lagerung der Spindel kann austauschbar mit einem Deckel sein, der zudem als Haltebremsegehäuse für die Haltebremse dient . Dies ermöglicht eine flexible Anpassung und/oder Erweiterung des Linearmoduls zur Verwendung einer Haltebremse . Die Deckel können bündig mit dem Gehäuse abschliessen, indem die Deckel die Querschnittsdimension des Gehäuses aufweisen .
Eine Ermittlung der axialen Position des Schlittens sowie die Winkellage der Spindel , sind bei Linearmodulen bisweilen im Stand der Technik nur mit grossen Bauteilen möglich und somit mit grossem Platzaufwand verbunden . Die Bestimmung der axialen Position und Winkellage ermöglicht j edoch Rückschlüsse auf die Position des Rotors im Verhältnis zum Stator zu ziehen, sodass der Motor kommutiert werden kann und insbesondere ein bürstenloser Motor verwendet werden kann .
Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es daher eine Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Linearmodul zu entwickeln, welches eine kostengünstige und platzsparende Methode zur Bestimmung der axialen Position des Schlittens und Winkellage der Spindel ermöglicht .
Die Aufgabe wird durch ein Linearmodul gemäss den unabhängigen Ansprüchen gelöst .
Ein Linearmodul , insbesondere wie vorhergehend beschrieben, umfasst einen bürstenlosen Motor mit Stator und Rotor, eine Spindel , eine Spindelmutter zum Umwandeln einer Drehbewegung der Spindel in eine axiale Bewegung einer Kopplungseinheit . Weiter umfasst das Linearmodul die Kopplungseinheit zum axialen Bewegen entlang der Führungsschiene , angetrieben durch die Drehung der Spindel . Das Linearmodul umfasst zudem eine Führungsschiene zum Führen der Kopplungseinheit , welche parallel zu der Spindel verläuft , und einen Schlitten, welcher mit der Kopplungseinheit gekoppelt ist . Der Schlitten ist durch eine Bewegung der Kopplungseinheit parallel zur Spindel bewegbar . Das Linearmodul kann zudem eine Steuervorrichtung umfassen, welche zum Steuern des Motors konfiguriert ist . Das Linearmodul hat zumindest einen Magneten an oder in einer Stirnseite des Rotors und/oder der Spindel , sowie eine Gebervorrichtung im Wesentlichen axial zu einer Drehachse der Spindel . Die Gebervorrichtung ist konfiguriert zum Auslesen der Winkellage des Magneten und/oder Ermitteln der axialen Position des Schlittens .
Diese Anbringung der Gebervorrichtung und des Magneten hat den Vorteil , dass die Stellung des Magneten sehr platzsparend ausgelesen werden kann . In diesem Zusammenhang wäre auch eine Anbringung des Magneten am Rotor oder einem separaten Bestandteil vorstellbar, der mit der Spindel verbunden ist , insbesondere falls der Rotor oder der separate Bestandteil nicht fest mit der Spindel verbunden ist .
Mit Hil fe eines Zählers und der Information über das Gewinde der Spindel , sowie der Winkellage des Magneten, kann nun durch die Gebervorrichtung und optional die Steuervorrichtung die axiale Position des Schlittens bestimmt werden . Dies bietet den Vorteil , dass die Position des Schlittens bestimmt werden kann, ohne dass die Auslesevorrichtung aus Magnet und Gebervorrichtung eine axiale Bewegung entlang der Drehachse der Spindel aus führen muss .
Die Gebervorrichtung kann zumindest eine , vorzugsweise starre , Leiterplatte umfassen, welche axial zu der Drehachse der Spindel angeordnet ist .
In einer alternativen Aus führungs form kann die Gebervorrichtung, insbesondere eine Leiterplatte , zumindest teilweise in einer Umfangsrichtung zur Spindel angeordnet sein und nicht oder nicht ausschliesslich axial hinter der Drehachse angeordnet sein . Zu- dem können die Gebervorrichtung und die Steuervorrichtung miteinander starr verbunden sein, insbesondere auf einer Leiterplatte angeordnet sein .
Der Magnet kann in einer anderen Aus führungs form auch abseits der Drehachse , seitlich auf der Stirnseite der Spindel angebracht sein, während die Gebervorrichtung mittig axial zur Spindel angebracht ist . Die Information der Winkellage ergibt sich demnach aus der Änderung der Richtung des Magnetfeldes durch die Drehung der Spindel .
Vorzugsweise ist der Magnet aber auf der Drehachse der Spindel angeordnet , da dies den Vorteil bietet , dass keine Unwucht entstehen kann .
Der Magnet kann den Nordpol auf einer Seite radial von der Drehachse entfernt aufweisen und insbesondere den Südpol radial auf der gegenüberliegenden Seite der Drehachse aufweisen . Der Magnet kann ein Scheibenmagnet sein, der um die Drehachse rotationssymmetrisch ist .
Vorzugsweise weist der Magnet eine zur Achse der Spindel orthogonale Polung auf . Diese Polung bietet den Vorteil , dass er mittig ohne Verschiebung des Schwerpunktes auf der Spindel platziert werden kann und leicht ausgelesen werden kann . Gut geeignet für diesen Einsatz ist ein Diametralmagnet , aber auch andere Magnetformen sind möglich .
Der Magnet mit Gebervorrichtung zur Bestimmung der Winkellage und axialer Position bietet den Vorteil einer grossen Platzersparnis , da die Messung der axialen Position des Schlittens nur durch Rotation des Magneten, statisch an der gleichen Stelle , erfolgt . Der Magnet mit Gebervorrichtung kann zur Feststellung der Drehgeschwindigkeit des Rotors , der Spindel , und/oder Kommutierung des bürstenlosen Motors anhand des Signals der elektronischen Gebervorrichtung und/oder Steuervorrichtung dienen .
Dies hat den Vorteil , dass die Nutzung eines bürstenlosen Motors durch entsprechende Kommutierung möglich ist und kein zusätzliches mechanisches Getriebe benötigt wird .
Die Aufgabe wird weiter durch die Verwendung eines Magneten an oder in einer Stirnseite einer Spindel oder des Rotors eines Linearmoduls , vorzugsweise wie vorhergehend beschrieben, gelöst . Eine Winkellage des Magneten kann mit einer Gebervorrichtung zur Feststellung der Drehgeschwindigkeit einer Spindel und/oder Kommutierung eines Motors anhand des Signals der elektronischen Gebervorrichtung und insbesondere einer Steuervorrichtung ausgelesen werden . Die Gebervorrichtung, insbesondere die Steuervorrichtung, kann auf Basis der ausgelesenen Orientierung des Magneten die Drehbewegung der Spindel und/oder die Kommutierung des Motors steuern .
Dies ermöglicht die Nutzung eines bürstenlosen Motors durch entsprechende Kommutierung, ohne zusätzliche weitere Sensorik wie etwa Hallsensoren .
Für die Kommutierung muss die Position/Winkellage von Rotor zum Stator zu j edem Zeitpunkt bekannt sein .
Da der Rotor vorzugsweise starr mit der Spindel verbunden, ist , und der Magnet starr mit der Spindel verbunden ist , ist durch die Winkellage des Magneten auch die Position des Rotors bestimmt . Dies hat den Vorteil , dass die relative Position des Ro- tors zum unbeweglichen Stator zu jedem Zeitpunkt gemessen werden kann .
Somit kann ein bürstenloser Motor verwendet werden. Ein bürstenloser Motor, vorzugsweise ein BLDC-Motor, ist effizienter als bürstenbehaftete Motoren oder Schrittmotoren, die ein hohes Haltemoment aufweisen und weniger dynamisch sind, und weist durch den geringeren Verschleiss eine höhere Lebensdauer auf. Die Kommutierung des Motors, also die Bestromung der richtigen Spulen zum richtigen Zeitpunkt, muss über die elektronischen Bestandteile der Steuervorrichtung und/oder die Gebervorrichtung und der bestimmten Winkellage erfolgen.
Die Erfindung wird anhand von Figuren, die lediglich Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1A: eine Seitenansicht einer erfindungsgemässen Ausführung des Linearmoduls,
Figur 1B: einen Querschnitt der Ausführung des Linearmoduls nach Fig. 1A,
Figur 2: eine Draufsicht der Ausführung des Linearmoduls nach Fig. 1A und Fig. 1B mit einem Teilquerschnitt,
Figur 3A: ein Längsschnitt der Ausführung des Linearmoduls nach Fig. 2,
Figur 3B: ein Querschnitt der Ausführung des Linearmoduls nach Fig. 3A,
Figur 4: einen Längsschnitt einer weiteren Ausführung des Linearmoduls mit einer Haltebremse.
Gleiche Bezugszeichen in den Figuren kennzeichnen gleiche Bauteile. Figur 1A zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemässe Ausführungs form des Linearmoduls 101 mit einem quaderförmigen Gehäuse 21 , einem Schlitten 19 und einem Interaktionselement 12 . Das Gehäuse 21 ist aus einem Aluminium-Strangpressprofil gefertigt und weist zu beiden longitudinalen Enden j eweils einen stirnseitigen Gehäusedeckel 1 , 3 auf . Die Gehäusedeckel 1 , 3 sind mit Schrauben 28 fest an dem Linearmodul 101 befestigt . Der erste Gehäusedeckel 1 erstreckt sich in einer longitudinalen Richtung des Linearmoduls 101 , um den Motor 8 vollständig darin aufnehmen zu können ( siehe Fig . 3A) . Der zweite Gehäusedeckel 3 ist zum Lagern einer Spindel vorgesehen, welche in einem Gehäuseinnenraum des Gehäuses 21 angeordnet ist . Zudem weist das Gehäuse 21 auf einer Vorderseitenfläche 217 zwei körperseitige Gehäusedeckel 23 , 231 auf , welche ebenfalls mit Schrauben 28 befestigt sind . Die Gehäusedeckel 1 , 3 , 23 , 231 umschliessen somit den Gehäuseinnenraum des Gehäuses 21 . An einem der körperseitigen Gehäusedeckel 23 ist das Interaktionselement 12 angeordnet . Das Interaktionselement 12 hat drei Stellschrauben 122 , 123 und drei LEDs 121 . Zwei der Stellschrauben 122 sind zum Einstellen der Geschwindigkeit des Schlittens 19 separat in beide longitudinale Richtungen, IN/OUT , vorgesehen . Die andere Stellschraube 123 ist zum Einstellen der Kraft vorgesehen . Die drei LEDs 121 in Fig . 1A zeigen den Zustand des Linearmoduls 101 an . Weiter weist das Interaktionselement 12 zwei separate Gehäuseverschraubungen 142 auf , welche Anschlüsse der Steuervorrichtung umschliessen . Einer der beiden Anschlüsse 141 ist für die Leistungs-Spannungsversorgung vorgesehen und der andere der beiden Anschlüsse 141 ist für die Kommunikation mit den internen Anschlüssen der elektronischen Steuervorrichtung vorgesehen . Durch die Kommunikation mit der elektronischen Steuervorrichtung kann die Steuervorrichtung konfiguriert , beziehungsweise eine Stromzufuhr des Motors , ein Positionswert des Schlittens 19 relativ zur Spindel , eine Geschwindigkeit , eine Beschleunigung und/oder eine Bewegungsrichtung des Schlittens 19 , individuell angepasst werden . Der Schlitten 19 ist ausserhalb des Gehäuses 21 angeordnet und kann durch die Steuerung der Spindel durch die Steuervorrichtung entlang der longitudinalen Richtung des Linearmoduls 101 bewegt werden .
Ein Querschnitt entlang der gestrichelten Linie A, welche durch die zwei Gehäuseverschraubungen 142 des Linearmoduls 101 verläuft , ist in Fig . 1B dargestellt . Die Steuervorrichtung 14 weist körperseitige Anschlüsse 141 auf , die durch die Gehäuseverschraubungen 142 umschlossen sind, sodass die Anschlüsse im Gehäuseinnenraum 211 angeordnet sind . Die Anschlüsse 141 werden somit durch den körperseitigen Gehäusedeckel 23 und die Gehäuseverschraubungen 142 nach aussen geführt und sind mit einer starren Leiterplatte 13 verbunden . Die starre Leiterplatte 13 weist eine Viel zahl von elektronischen Bauelementen 22 auf . Die grössten elektronischen Bauelemente 22 , insbesondere Transistoren und Wandler, sind in den äusseren Bereichen der Leiterplatte 13 angeordnet und ragen an beiden Seiten einer Spindel 5 in das Gehäuse 21 . Somit hat die Spindel 5 und eine Spindelmutter 51 im Gehäuseinnenraum 211 ausreichend Platz zur Verfügung, ohne dass das Gehäuse 21 vergrössert werden müsste . Zudem sind die elektronischen Bauelemente 22 durch eine in eine Umfangsrichtung der Spindel 5 verlaufende Trennwand 215 umgeben, um vor einer Beschädigung und einer Verschmutzung geschützt zu sein .
Die Spindel 5 ist koaxial von der Spindelmutter 51 umgeben . Die Spindelmutter 51 ist starr mit einer Kopplungseinheit 6 verbunden, die entlang einer Führungsschiene 7 bewegbar ist . Die Führungsschiene 7 weist ein im Wesentlichen rechteckiges Quer- schnittsprof il auf , welches auf gegenüberliegenden Seiten eine Ausnehmung 70 aufweist . In die Ausnehmungen 70 kann ein Laufwagen 61 mit einer Kugelumlauf führung, der starr mit der Kopp- lungseinheit 6 verbunden ist , grei fen, um geführt zu werden . Die Kopplungseinheit 6 ist zudem mit dem Schlitten 19 verbunden, sodass eine Bewegung der Kopplungseinheit 6 ebenfalls den Schlitten 19 bewegt . Die Kopplungseinheit 6 ist dabei unterhalb einer Abdeckung 2 innerhalb einer Öf fnung 212 des Gehäuses 21 angeordnet . Der Schlitten 19 ist hingegen angrenzend zur Abdeckung 2 und ausserhalb der Öf fnung 212 angeordnet . Die Öf fnung 212 erstreckt sich über einen Grossteil des Linearmoduls 101 in longitudinaler Richtung ( siehe Fig . 3A) . Das Gehäuse 21 weist zudem auf einer gegenüberliegenden Seite der Gehäuseverschraubungen 142 und einer dem Schlitten 19 gegenüberliegenden Seite j eweils zwei longitudinal verlaufende Profil-Nuten 213 zur Befestigung des Linearmoduls 101 auf ( siehe Fig . 1B ) . Ausserdem hat das Gehäuse 21 in j eder Ecke eine longitudinal verlaufende Bohrung 214 mit einem Gewinde zur Anbringung der Schrauben 28 , sodass die Deckel 1 , 3 lösbar angebracht werden können .
Figur 2 zeigt eine Draufsicht der Aus führung des Linearmoduls 101 nach Fig . 1A und Fig . 1B mit einem Teilquerschnitt , sodass der Gehäuseinnenraum 211 des quaderförmigen Gehäuses 21 im Bereich der Steuervorrichtung 14 einsehbar ist . Das Gehäuse 21 weist eine Öf fnung auf einer oberen Seitenfläche auf , die von einem rechteckigen Stahlblech 2 als eine Abdeckung abgedeckt wird und an vier Ecken mit einer Schraube 30 mit dem Gehäuse 21 lösbar verbunden ist . Das Stahlblech 2 erstreckt sich dabei in longitudinaler Richtung parallel zu der Spindel 5 über einen Grossteil des Gehäuses 21 inklusive der Deckel 1 , 3 . Die Spindel 5 weist zudem ein Gewinde 54 auf , sodass die Spindelmutter 51 ( siehe Fig . 1B ) in longitudinaler Richtung der Spindel 5 geführt werden kann, ohne sich dabei selbst zu drehen . Somit kann die Spindel 5 die Drehbewegung um ihre Drehachse D in eine axiale Bewegung der Kopplungseinheit 6 und des Schlittens 19 umwandeln . Der Schlitten 19 weist auf einer Oberseite 191 mehrere Anschlusselemente in Form von Bohrungen 18 mit Gewinden auf , sodass der Schlitten 19 mit einem externen Geräteteil verbindbar ist , um Kraft in longitudinaler Richtung des Linearmoduls 101 zu übertragen . Der Schlitten 19 ist breiter als das Stahlblech 2 und ist mit vier Schrauben 29 in einem äusseren Bereich mit der Kopplungseinheit seitlich vorbei am Stahlblech 2 verbunden . Die Kopplungseinheit und der Schlitten 19 sind somit , angetrieben durch die Spindel 5 , entlang dem Stahlblech 2 bewegbar . Die Steuervorrichtung 14 im Bereich des körperseitigem Deckels 23 kann durch die Interaktionselemente 12 durch einen Nutzer konfiguriert werden, um die Steuerung des Linearmoduls 101 , insbesondere die Parameter zur Steuerung, anzupassen . Zudem kann durch einen der Anschlüsse 141 die Steuervorrichtung 14 angepasst und/oder gesteuert werden . Die starre Leiterplatte 13 mit den elektronischen Bauelementen 22 ist im Wesentlichen parallel zu der Vorderseitenfläche 217 im Gehäuseinnenraum 211 angeordnet .
Figur 3A zeigt einen Längsschnitt der Aus führung des Linearmoduls 101 nach Fig . 2 welcher senkrecht durch die Drehachse D in Fig . 2 verläuft . Das Gehäuse 21 umschliesst gemeinsam mit den Deckeln 1 , 3 und dem Stahlblech 2 den Gehäuseinnenraum 211 .
Lediglich der Schlitten 19 ist vollständig ausserhalb des Gehäuseinnenraums 211 angeordnet . Die Kopplungseinheit 6 und der Schlitten 19 sind seitlich des Stahlblechs 2 ( siehe Fig . 2 ) durch Schrauben miteinander verbunden . Im Bereich des Schlittens 19 formt das Stahlblech 2 eine Wölbung 24 , welche auf einer Unterseite mittig von einem teilweise konvexen Gleitelement 194 der Kopplungseinheit 6 kontaktiert wird und auf der Oberseite von zwei konkaven Gleitelementen 193 des Schlittens 19 kontaktiert wird . Die zwei Gleitelemente 193 sind am Rand des Schlittens 19 angeordnet , sodass sie das mittige Gleitelement 194 der Kopplungseinheit 6 in longitudinaler Richtung des Linearmoduls 101 einrahmen .
Einer der stirnseitigen Deckel 1 dient als ein Motorgehäuse für einen bürstenlosen Motor 8 , welcher koaxial zu der Spindel 5 angeordnet ist . Der Motor 8 hat einen Stator 9 , welcher unbeweglich im Gehäuse 21 angeordnet ist und einen Rotor 10 , welcher koaxial innerhalb des Stators 9 angeordnet ist und starr mit der Spindel 5 verbunden ist . Der Motor 8 kann durch Bestromung von Spulen des Stators 9 zum richtigen Zeitpunkt Strom in eine Rotationsbewegung des Rotors 10 umwandeln . Durch die Rotationsbewegung des Rotors 10 kann somit die Spindel 5 angetrieben werden, die starr mit dem Rotor 10 verbunden ist . Durch die Drehbewegung der Spindel 5 kann die Spindelmutter 51 mit der Kopplungseinheit 6 entlang der Führungsschiene 7 , welche parallel zu der Spindel 5 im Gehäuseinnenraum 211 verläuft , geführt werden . Somit kann die Kopplungseinheit 6 in longitudinaler Richtung innerhalb der Öf fnung 212 verschoben werden, sodass sich die Wölbung 24 des Stahlblechs 2 mitbewegt .
Am Ende des Linearmoduls 101 angrenzend an den Rotor 10 ist ein Kugellager 17 angeordnet . Auf der gegenüberliegenden Seite des Rotors 10 sind zwei Kugellager 171 nebeneinander zur Lagerung der Spindel 5 angeordnet . Der gegenüberliegende stirnseitige Deckel 3 weist ebenfalls ein Kugellager 20 auf .
Im stirnseitigen Deckel 1 hinter der Spindel 5 mit der Drehachse D ist ein Magnet 15 angeordnet . Der Magnet 15 ist starr mit einem Verbindungselement 55 verbunden, welches starr mit der Spindel 5 verbunden ist . Auf dem Verbindungselement 55 ist zudem der Rotor 10 angeordnet . Die Polung des Magneten 15 verläuft dabei in Richtung radial nach aussen des Linearmoduls 101 . In axialer Richtung hinter dem Magneten 15 ist eine Gebervorrichtung 16 zum Auslesen einer Winkellage der Spindel und/oder der axialen Position des Schlittens 19 angeordnet . Eine Leiterplatte 161 der Gebervorrichtung 16 ist zudem mit der Steuervorrichtung des Linearmoduls 101 verbunden, sodass die Steuerung, insbesondere die Motorsteuerung des bürstenlosen Motors 8 , hinsichtlich der Winkellage und/oder Position der Kopplungseinheit 6 angepasst werden kann .
Figur 3B zeigt einen Querschnitt des Linearmoduls 101 senkrecht zu der Geraden C aus Fig . 3A. Das Gehäuse 21 weist auf zwei Seitenflächen longitudinale Profil-Nuten 213 auf . In den Ecken des Gehäuses 21 sind zudem Bohrungen 214 zur Verbindung der Deckel vorhanden . Der Schlitten 19 in Fig . 3B ist ausserhalb des Gehäuses 21 angeordnet und die Kopplungseinheit 6 ist innerhalb der, sich longitudinal erstreckenden, Öf fnung 212 angeordnet . Der Schlitten 19 und die Kopplungseinheit 6 umschliessen gemeinsam einen Bereich des Stahlblechs 2 mit der Wölbung 24 ( siehe Fig . 3A) . Die Kopplungseinheit 6 ist zudem starr mit dem Laufwagen 61 mit der Kugelumlauf führung verbunden, sodass die Kopplungseinheit 6 entlang der Führungsschiene 7 in gegenüberliegenden Ausnehmungen 70 der Führungsschiene 7 geführt werden kann . Die Spindelmutter, welche in das Gewinde der Spindel 5 grei ft , um die Kopplungseinheit 6 in der axialen Richtung zu bewegen, ist durch eine Trennwand 215 des Gehäuses 21 von einem Bereich 216 zur Aufnahme der Steuervorrichtung des Gehäuseinnenraums 211 abgetrennt .
Figur 4 zeigt eine weitere Aus führung eines Linearmoduls 101 mit einer elektrischen Haltebremse 11 in einem stirnseitigen Deckel 3 gegenüber einem stirnseitigen Deckel 1 zur Lagerung eines bürstenlosen Motors 8 zum Antreiben einer Spindel 5 . Abgesehen von der Haltebremse 11 im stirnseitigen Deckel 3 ist die Aus führungs form des Linearmoduls 101 in Fig . 4 identisch mit der vorhergehend beschriebenen Linearmodul 101 in Fig . 1A bis Fig . 3B, sodass auf erneute Beschreibung verzichtet wird .
Der Deckel 3 , der als Haltebremsegehäuse für die Haltebremse 11 dient , weist ebenfalls ein Kugellager 20 zur Lagerung einer Spindel 5 auf . In Fig . 4 befindet sich die Haltebremse 11 in einem Haltezustand 111 , sodass eine Drehbewegung der Spindel 5 verhindert wird .
Die Haltebremse 11 weist ein Bremselement 115 auf . Zudem weist die Haltebremse 11 eine scheibenförmige Nabe 114 auf . Die Nabe 114 ist drehbar relativ zum Bremselement 115 gelagert (nicht expli zit in Fig . 4 gezeigt ) . Die Nabe 114 ist mit einer radialen Vertiefung 53 an einem Ende der Spindel 5 formschlüssig gekoppelt . Die Nabe 114 ist koaxial um das Ende der Spindel 5 angeordnet . Die Nabe 114 der Haltebremse 11 und das Ende der Spindel grei fen somit sowohl in einem Freigabezustand als auch in dem Haltezustand 111 formschlüssig ineinander .
In dem Freigabezustand (nicht dargestellt in Fig . 4 ) der Haltebremse 11 , in welchem die Haltebremse 11 bestromt wird, ist die Spindel 5 somit gemeinsam mit der Nabe 114 drehbar .
Durch die Bestromung der Haltebremse 11 wird die Nabe 114 elektromagnetisch entgegen einer Vorspannung eines Rückstellelements (nicht in Fig . 4 dargestellt ) freigegeben, um eine Drehung der Spindel 5 zu ermöglichen . In dem Freigabezustand der Haltebremse 11 ist das Verfahren des Schlittens 19 durch eine Drehbewegung der Spindel 5 somit möglich . In dem Haltezustand 111 der Haltebremse 11 , in dem die Haltebremse 11 nicht oder nur unzureichend bestromt wird, ist die Spindel 5 zusammen mit der Nabe 114 hingegen nicht drehbar . Der Haltezustand 111 der Haltebremse 11 wird automatisch in einem stromlosen Zustand von der Haltebremse 11 durch die Vorspannung des Rückstellelements eingenommen .
Durch die Vorspannung des Rückstellelements wird die Spindel 5 und die Nabe 114 im Haltezustand 111 durch einen Reibschluss an einer Drehung gehindert . Zu diesem Zweck kann die Nabe 114 durch das Rückstellelement gegen einen Bestandteil der Haltebremse 11 oder des Gehäuses 21 gedrückt werden . Alternativ kann ein separater Bestandteil der Haltebremse 11 , insbesondere das Bremselement 115 , gegen die Nabe 114 gedrückt werden .

Claims

Patentansprüche
1. Ein Linearmodul (101) umfassend eine Spindel (5) zur Drehung um eine Drehachse (D) der Spindel ( 5 ) , eine Spindelmutter (51) zum Umwandeln einer Drehbewegung der Spindel (5) in eine axiale Bewegung der Spindelmutter (51) , eine Kopplungseinheit (6) zum axialen Bewegen entlang einer Führungsschiene (7) , angetrieben über die Spindelmutter (51) , die Führungsschiene (7) zum Führen der Kopplungseinheit (6) , welche parallel zu der Spindel (5) verläuft, einen, vorzugsweise bürstenlosen, Motor (8) mit einem Stator (9) und einem Rotor (10) zum Antreiben der Spindel (5) , eine Steuervorrichtung (14) , welche zum Steuern des Motors (8) konfiguriert ist und mindestens eine Leiterplatte (13) umfasst, ein Gehäuse (21) , welches einen Gehäuseinnenraum (211) zumindest teilweise umschliesst und einen Schlitten (19) , welcher zumindest teilweise ausserhalb des Gehäuses ( 21 ) angeordnet ist und mit einer Bewegung der Kopplungseinheit (6) gekoppelt ist, sodass der Schlitten (19) durch die Bewegung der Kopplungseinheit (6) parallel zu der Führungsschiene (7) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (8) , die Steuervorrichtung (14) , die Spindel (5) , Spindelmutter (51) und die Führungsschiene (7) im Gehäuseinnenraum (211) angeordnet sind .
2. Linearmodul (101) nach Anspruch 1, wobei das Linearmodul (101) eine, vorzugsweise flexible, Abdeckung (2) umfasst und das Gehäuse eine Öffnung (212) aufweist, die mit der Abdeckung (2) zumindest teilweise abgedeckt ist und der Schlitten (19) ist zumindest teilweise, insbesondere vollständig, ausserhalb des Gehäuses (21) , angrenzend an eine Oberseite der Abdeckung (2) , angeordnet und mit der Kopplungseinheit (6) , welche angrenzend an eine Unterseite der Abdeckung (2) angeordnet ist, verbunden. Linearmodul (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Motor (8) koaxial zu der Spindel (5) , vorzugsweise in einem Endbereich der Spindel (5) , angeordnet ist, sodass der Rotor (10) und die Spindel (5) dieselbe Drehachse aufweisen, und der Rotor (10) insbesondere starr mit der Spindel (5) verbunden ist, insbesondere ohne ein separates Verbindungselement . Linearmodul (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kopplungseinheit (6) eine Kugel- oder Rollenumlaufführung umfasst, welche eine Vielzahl von Rollen oder Kugeln aufweist, die einen reibungsarmen Lauf der Kopplungseinheit (6) relativ zur Führungsschiene (7) ermöglichen . Linearmodul (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Linearmodul (101) eine Haltebremse (11) umfasst und ein Haltezustand (111) der Haltebremse (11) in einen Freigabezustand der Haltebremse (11) reversibel überführbar ist, wobei der Haltezustand (111) eine Drehbewegung der Spindel (5) verhindert und der Freigabezustand eine Drehbewegung der Spindel (5) ermöglicht . Linearmodul (101) nach Anspruch 5, wobei die Haltebremse (11) eine elektrische, insbesondere elektromagnetische, Haltebremse (11) ist und ein mechanisches Übersetzungselement aufweist, wobei die elektrische Haltebremse (11) so ausgebildet ist, dass der Haltezustand (111) in einem stromlosen Zustand der Haltebremse (11) erzielbar ist, insbesondere indem das mechanische Übersetzungselement mechanisch vorgespannt ist. Linearmodul (101) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die Haltebremse (11) an einem Ende der Spindel (5) angeordnet ist und das Ende der Spindel (5) zumindest einen radialen Vorsprung und/oder eine radiale Vertiefung (53) aufweist, wobei der Vorsprung und/oder die Vertiefung (53) mit einer Nabe (114) der Haltebremse (11) in dem Haltezustand (111) , vorzugsweise zudem im Freigabezustand, zumindest teilweise formschlüssig gekoppelt ist. Linearmodul (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuervorrichtung (14) konfiguriert ist, um zumindest zwei der folgenden Parameter zu steuern:
- eine Stromzufuhr zum Steuern des Motors (8) , insbesondere zur Kommutierung des Motors (8) ,
- einen Positionswert, definiert durch den relativen Abstand des Schlittens (19) zu einem Ende der Spindel (5) ,
- eine Geschwindigkeit der Bewegung der Kopplungseinheit (6) ,
- eine Beschleunigung der Bewegung der Kopplungseinheit (6) ,
- eine Kraft der Bewegung der Kopplungseinheit (6) ,
Bewegungsrichtung der Kopplungseinheit (6) . Linearmodul (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterplatte (13) in Bezug auf die Bauhöhe senkrecht zur Leiterplattenebene kleine und grosse elektronische Bauelemente (22) umfasst, wobei zumindest ein, bevorzugt alle grossen elektronischen Bauelemente (22) , insbesondere Transistoren und/oder Wandler, am Rand der Leiterplatte (13) , insbesondere am Rand einer längeren Seite der Leiterplatte (13) , angeordnet sind. Linearmodul (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuervorrichtung (14) einen Anschluss (141) zur Leistungs-Spannungsversorgung und einen Anschluss (141) zur Kommunikation mit der Steuervorrichtung (14) umfasst. Linearmodul (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Linearmodul (101) , insbesondere die Steuervorrichtung (14) , ein Interaktionselement (12) umfasst, wobei das Interaktionselement (12) Einstellelemente (122, 123) und/oder Zustandsanzeigeelemente (121) umfasst, wobei die Einstellelemente (122, 123) zur Geschwindigkeitsverstellung und/oder Kraftverstellung direkt an dem Linearmodul (101) dienen . Linearmodul (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Anschlusselement (18) vorhanden ist, wobei mindestens ein Anschlusselement (18) an dem Schlitten (19) angeordnet ist, insbesondere ist mindestens ein weiteres Anschlusselement (18) an einem Ende oder jeweils an beiden Enden des Gehäuses (21) , insbesondere an den Stirnseiten des Gehäuses (21) , ausgebildet. Linearmodul (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine minimale Querschnittsabmessung des Linearmoduls (101) orthogonal zur Spindelachse (D) niemals breiter als 150 %, insbesondere 130%, weiter insbesondere 120%, eines Aussendurchmessers des Motors (8) ist, abgesehen von den aus dem Gehäuse (21) ragenden Anschlüssen (141) , den Interaktionselementen (12) , Gehäuseverschraubungen (142) und dem Schlitten (19) . Linearmodul (101) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (21) zwei stirnseitige Gehäusedeckel (1, 3) und vorzugsweise mindestens einen körperseitigen Gehäusedeckel (23, 231) umfasst, wobei einer der stirnseitigen Gehäusedeckel (1, 3) gleichzeitig ein Motorgehäuse des Motors (8) ist und der andere der stirnseitigen Gehäusedeckel (1, 3) vorzugsweise die Spindel (5) lagert und/oder ein Haltebremsegehäuse der Haltebremse (11) ist . Linearmodul (101) , insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen bürstenlosen Motor (8) mit Stator (9) und Rotor (10) , eine Spindel (5) , eine Spindelmutter (51) zum Umwandeln einer Drehbewegung der Spindel (5) in eine axiale Bewegung einer Kopplungseinheit ( 6 ) , die Kopplungseinheit (6) zum axialen Bewegen entlang einer Führungsschiene (7) angetrieben durch die Drehung der Spindel (5) , eine Führungsschiene (7) zum Führen der Kopplungseinheit (6) , welche parallel zu der Spindel (5) verläuft, und einen Schlitten (19) , welcher mit der Kopplungseinheit (6) gekoppelt ist, sodass der Schlitten (19) durch eine Bewegung der Kopplungseinheit (6) parallel zur Spindel (5) bewegbar ist, insbesondere eine Steuervorrichtung (14) , welche zum Steuern des Motors (8) konfiguriert ist, und zumindest einen Magneten (15) an oder in einer Stirnseite des Rotors (10) und/oder der Spindel (5) sowie eine elektronische Gebervorrichtung (16) im Wesentlichen axial zu einer Drehachse (D) der Spindel (5) zum Auslesen der Winkellage des Magneten (15) und/oder Ermitteln der axialen Position des Schlittens (19) .
16. Linearmodul (101) nach Anspruch 15, wobei der Magnet (15) den Nordpol auf einer Seite radial von der Drehachse (D) entfernt aufweist und insbesondere den Südpol radial auf der gegenüberliegenden Seite der Drehachse (D) aufweist und insbesondere ein um die Drehachse (D) rotationssymmetrischer Scheibenmagnet ist.
17. Linearmodul (101) nach Anspruch 15 oder 16, wobei der Magnet (15) mit Gebervorrichtung (16) zur Feststellung der Drehgeschwindigkeit des Rotors (10) , der Spindel (5) und/oder Kommutierung des bürstenlosen Motors (8) anhand des Signals der elektronischen Gebervorrichtung (16) und/oder Steuervorrichtung (14) dient.
PCT/EP2022/060535 2022-04-21 2022-04-21 Linearmodul, linearmodul mit einem magneten und gebervorrichtung zur bestimmung der winkellage und/oder ermittlung der position eines schlittens WO2023202773A1 (de)

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