DE102024111871A1 - Electromechanical spindle drive - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Spindelantrieb (1) mit einer Gewindespindel (2) mit einem Außengewinde und einer Spindelachse (SA), und mit wenigstens zwei bezüglich der Spindelachse (SA) zueinander beabstandeten Antriebseinheiten (3), wobei jede der Antriebseinheiten (3) einen elastisch deformierbaren Rahmenkörper (4) aufweist, der zwei Aufnahmeräume (40) umfasst, in die jeweils ein elektromechanischer Aktor (6) eingesetzt ist, und mit einer Verbindungseinrichtung (7) zum mechanischen Verbinden der Antriebseinheiten (3), wobei jeder der Rahmenkörper (4) einen Aufnahmeabschnitt (42) für die Gewindespindel (2) aufweist, der zwei integral mit dem Rahmenkörper (4) ausgebildete Antriebsabschnitte (44) aufweist, die gegenüberliegende Umfangsabschnitte des Außengewindes der Gewindespindel (2) kontaktieren und die durch Beaufschlagung der elektromechanischen Aktoren (6) mit geeigneten elektrischen Signalen über eine dadurch hervorgerufene Deformation des Rahmenkörpers (4) bewegt werden. Kennzeichnend für die Erfindung ist das Vorsehen eines Festschmierstoffelements (8), das zwischen benachbarten Antriebseinheiten (3) derart angeordnet ist, dass es die Gewindespindel (2) zumindest teilweise umfängt und dabei mit dieser in Kontakt steht. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines vorgenannten Spindelantriebs sowie eine Positioniervorrichtung mit einem solchen Spindelantrieb. The invention relates to an electromechanical spindle drive (1) with a threaded spindle (2) having an external thread and a spindle axis (SA), and with at least two drive units (3) spaced apart from each other with respect to the spindle axis (SA), wherein each of the drive units (3) has an elastically deformable frame body (4) comprising two receiving spaces (40) in each of which an electromechanical actuator (6) is inserted, and with a connecting device (7) for mechanically connecting the drive units (3), wherein each of the frame bodies (4) has a receiving section (42) for the threaded spindle (2), which has two drive sections (44) integrally formed with the frame body (4), which contact opposite circumferential sections of the external thread of the threaded spindle (2) and which are moved by applying suitable electrical signals to the electromechanical actuators (6) via a deformation of the frame body (4) thereby caused. A characteristic feature of the invention is the provision of a solid lubricant element (8) which is arranged between adjacent drive units (3) such that it at least partially surrounds the threaded spindle (2) and is in contact with it. Furthermore, the invention relates to a method for operating such a spindle drive and to a positioning device with such a spindle drive.
Description
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Spindelantrieb und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Spindelantriebs.The invention relates to an electromechanical spindle drive and a method for operating such a spindle drive.
Die
Von gewissem Nachteil ist hierbei, dass der jeweilige Spindelantrieb einen komplexen bzw. einen montagetechnisch relativ schwer handhabbaren Aufbau aufweist, und zudem insbesondere nicht bei niedrigen Temperaturen einsetzbar ist.A certain disadvantage here is that the respective spindle drive has a complex or relatively difficult-to-handle design in terms of assembly, and is also not suitable for use at low temperatures.
Aus der
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen elektromechanischen Spindelantrieb bereitzustellen, der bei einfacher und montagetechnisch leicht handhabbarer Struktur einen Einsatz bis zu tiefsten Temperaturen, d.h. unter kryogenen Bedingungen, erlaubt.It is an object of the invention to provide an electromechanical spindle drive which, with a simple and easy-to-assemble structure, allows use down to the lowest temperatures, i.e. under cryogenic conditions.
Erfindungsgemäße LösungInventive solution
Die vorstehende Aufgabe kann beispielsweise gelöst werden mit einem elektromechanischen Spindelantrieb, der eine Gewindespindel, zwei mit der Gewindespindel in Eingriff bzw. Kontakt stehende und über eine Verbindungseinrichtung mechanisch miteinander verbundene und beabstandet zueinander angeordnete Antriebseinheiten, die jeweils wenigstens zwei elektromechanische Aktoren umfassen, und ein zwischen den Antriebseinheiten angeordnetes Festschmierstoffelement aufweist. Hierbei ist denkbar, dass der erfindungsgemäße elektromechanische Spindelantrieb mehr als zwei Antriebseinheiten aufweist, wovon jeweils zwei benachbart zueinander angeordnete Antriebseinheiten ein Antriebseinheitenpaar bilden, wobei zumindest eines der Antriebseinheitenpaare ein zwischen seinen beiden Antriebseinheiten angeordnetes Festschmierstoffelement aufweist und zumindest eines der Antriebseinheitenpaare eine seine beiden Antriebseinheiten miteinander verbindendes Verbindungseinrichtung aufweist.The above problem can be solved, for example, with an electromechanical spindle drive comprising a threaded spindle, two drive units mechanically connected to or in contact with the threaded spindle and spaced apart from each other via a connecting device, each drive unit comprising at least two electromechanical actuators, and a solid lubricant element arranged between the drive units. It is conceivable that the electromechanical spindle drive according to the invention comprises more than two drive units, with each pair of drive units arranged adjacent to each other forming a drive unit pair, wherein at least one of the drive unit pairs has a solid lubricant element arranged between its two drive units and at least one of the drive unit pairs has a connecting device connecting its two drive units to each other.
Durch das Vorsehen des Feststoffschmierelements, das zwischen benachbarten Antriebseinheiten derart angeordnet ist, dass es die Gewindespindel zumindest teilweise umfängt und dabei mit dieser in Kontakt steht, gelingt selbst bei kryogenen Bedingungen eine ausreichende Schmierung des Gewindeeingriffs zwischen der Gewindespindel und den damit zumindest abschnittsweise in Kontakt stehenden Antriebseinheiten. Indem die Gewindespindel durch ihre rotatorische Bewegung über ihr Außengewinde Festschmierstoff des sie zumindest abschnittsweise umgebenden und innerhalb des Umgebungsbereichs kontaktierenden Feststoffschmierelements aufnimmt und in den Gewindeeingriffsbereich zwischen der Gewindespindel und den Antriebseinheiten transportiert, gelingt dort eine effektive Schmierung, die auch unter kryogenen Bedingungen aufrecht erhalten bleibt.By providing a solid lubricant element positioned between adjacent drive units in such a way that it at least partially surrounds and is in contact with the threaded spindle, sufficient lubrication of the thread engagement between the threaded spindle and the drive units, which are at least partially in contact with it, is achieved even under cryogenic conditions. As the threaded spindle, through its rotational movement, picks up solid lubricant from the solid lubricant element, which at least partially surrounds it and is in contact with it within the surrounding area, and transports it into the thread engagement area between the threaded spindle and the drive units, effective lubrication is achieved there, which is maintained even under cryogenic conditions.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Festschmierstoffelement eine hohlzylinderförmige Geometrie auf und steht mit dem Außengewinde der Gewindespindel über ein dazu komplementär geformtes Innengewinde in Kontakt.According to one embodiment, the solid lubricant element has a hollow cylindrical geometry and is in contact with the external thread of the threaded spindle via a complementary internal thread.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Festschmierstoffelement Kohlenstoff oder Bornitrid und besteht vorzugsweise daraus.According to another embodiment, the solid lubricant element comprises carbon or boron nitride and preferably consists of it.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform bilden Aufnahmeräume des Rahmenkörpers für die elektromechanischen Aktoren oder ein Aufnahmeabschnitt des Rahmenkörpers für die Gewindespindel jeweils eine geschlossene Struktur, so dass die Aufnahmeräume für die elektromechanischen Aktoren diese jeweils vollständig umgeben oder der Aufnahmeabschnitt für die Gewindespindel diese vollständig umgibt. Hierbei kann es insbesondere vorteilhaft sein, dass eine zum Kontakt mit einem elektromechanischen Aktor vorgesehene Fläche eines entsprechenden Aufnahmeraums durch eine Oberfläche einer Einspannvorrichtung zum Einspannen bzw. Einklemmen des jeweiligen elektromechanischen Aktors in dem zugehörigen Aufnahmeraum gebildet ist. Hierbei kann es insbesondere von Vorteil sein, dass die Einspannvorrichtung durch eine Mehrzahl keilförmiger Elemente oder durch eine Schraube gebildet ist. Durch die Verwendung einer Anordnung von miteinander in Kontakt stehenden keilförmigen Elementen oder durch das Vorsehen einer in den Rahmenkörper an entsprechender Stelle eindrehbaren Schraube kann auf einfache Weise Toleranzen in der Geometrie der elektromechanischen Aktoren begegnet werden und der elektromechanische Aktor in dem Aufnahmeraum mit definierter Kraft eingespannt bzw. eingeklemmt werden.According to another embodiment, the frame body forms receiving spaces for the The electromechanical actuators or a receiving section of the frame body for the threaded spindle each form a closed structure, such that the receiving spaces for the electromechanical actuators completely surround them, or the receiving section for the threaded spindle completely surrounds them. It can be particularly advantageous if a surface of a corresponding receiving space intended for contact with an electromechanical actuator is formed by a surface of a clamping device for clamping or securing the respective electromechanical actuator in the associated receiving space. It can be particularly advantageous if the clamping device is formed by a plurality of wedge-shaped elements or by a screw. By using an arrangement of wedge-shaped elements in contact with each other or by providing a screw that can be screwed into the frame body at a corresponding location, tolerances in the geometry of the electromechanical actuators can be easily accommodated, and the electromechanical actuator can be clamped or secured in the receiving space with a defined force.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die beiden Aufnahmeräume für die elektromechanischen Aktoren über einen Kopplungsstegabschnitt miteinander verbunden bzw. gekoppelt, wobei der Kopplungsstegabschnitt gleichzeitig die beiden Antriebsabschnitte miteinander koppelt. Hierbei kann es insbesondere von Vorteil sein, dass die beiden Antriebsabschnitte zusätzlich über einen Verbindungsstegabschnitt des Rahmenkörpers miteinander gekoppelt sind, wobei der Verbindungsstegabschnitt dem Kopplungsstegabschnitt bezüglich der Gewindespindel gegenüberliegend angeordnet ist, und der Kopplungsstegabschnitt und der Verbindungsstegabschnitt und die beiden Antriebsabschnitte gemeinsam einen geschlossenen Aufnahmeabschnitt für die Gewindespindel bilden.According to a further embodiment, the two receiving spaces for the electromechanical actuators are connected or coupled to each other via a coupling web section, which simultaneously couples the two drive sections. It can be particularly advantageous here that the two drive sections are additionally coupled to each other via a connecting web section of the frame body, the connecting web section being arranged opposite the coupling web section with respect to the threaded spindle, and the coupling web section, the connecting web section, and the two drive sections together forming a closed receiving section for the threaded spindle.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die elektromechanischen Aktoren als piezoelektrische oder elektrostriktive oder magnetostriktive Aktoren ausgebildet, wobei es im Falle von magnetostriktiven Aktoren von besonderem Vorteil sein kann, dass die Rahmenkörper ein Material mit magnetostriktiven Eigenschaften aufweisen.According to another embodiment, the electromechanical actuators are designed as piezoelectric or electrostrictive or magnetostrictive actuators, whereby in the case of magnetostrictive actuators it can be particularly advantageous for the frame bodies to have a material with magnetostrictive properties.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der elektromechanische Spindelantrieb eine Einrichtung zur Erfassung und Aufbereitung von für den Zustand des elektromechanischen Spindelantriebs relevanten Mess- oder Betriebsdaten auf, die dazu ausgebildet ist, die Mess- oder Betriebsdaten während der Laufzeit des elektromechanischen Spindelantriebs begleitend zu erfassen und aufzubereiten und optional miteinander zu verknüpfen, so dass daraus ein Abbild des Zustands des elektromechanischen Spindelantriebs herleitbar istAccording to a further embodiment, the electromechanical spindle drive has a device for acquiring and processing measurement or operating data relevant to the state of the electromechanical spindle drive, which is designed to continuously acquire and process the measurement or operating data during the running time of the electromechanical spindle drive and optionally link them together, so that a picture of the state of the electromechanical spindle drive can be derived from it.
Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben eines wie vorstehend beschriebenen elektromechanischen Spindelantriebs, bei dem die beiden elektromechanischen Aktoren einer Antriebseinheit mit zeitlich gegenläufigen und bevorzugt gleichphasigen sägezahnförmigen elektrischen Signalen, insbesondere Spannungen, beaufschlagt werden. Unter „gegenläufig“ wird hierin verstanden, dass in einem Zeitabschnitt mit einer ansteigenden Flanke eines der Sägezahnsignale im jeweils anderen Sägezahnsignal eine absteigende Flanke vorliegt und umgekehrt. Insbesondere sind mit Hinblick auf den zeitlichen Verlauf von zwei gegenläufigen und gleichphasigen sägezahnförmigen elektrischen Signalen diese bezüglich der entsprechenden Zeitachse spiegelbildlich zueinander angeordnet. Unter „gleichphasig“ wird hierin verstanden, dass die Perioden der beiden elektrischen Signale relativ zueinander identisch sind und deren Null-Durchgänge bzw. Null-Werte zu denselben oder im Wesentlichen gleichen Zeitpunkten vorliegen.The invention further relates to a method for operating an electromechanical spindle drive as described above, in which the two electromechanical actuators of a drive unit are supplied with sawtooth-shaped electrical signals, in particular voltages, that are opposite in time and preferably in phase. "Opposite in time" here means that in a time interval with a rising edge of one of the sawtooth signals, a falling edge is present in the other sawtooth signal, and vice versa. In particular, with regard to the temporal progression of two opposite and in-phase sawtooth-shaped electrical signals, these are arranged as mirror images of each other with respect to the corresponding time axis. "In phase" here means that the periods of the two electrical signals are identical relative to each other and their zero crossings or zero values occur at the same or substantially the same times.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Positioniervorrichtung mit einem wie vorstehend beschriebenen elektromechanischen Spindelantrieb.The invention further relates to a positioning device with an electromechanical spindle drive as described above.
Unter der Bezeichnung „im Wesentlichen“ in Bezug auf ein Merkmal oder einen Wert wird hierin insbesondere verstanden, dass das Merkmal eine Abweichung von bis zu 20 % und speziell von bis zu 10 % von dem Merkmal oder dessen geometrischen Eigenschaft bzw. des Werts enthält.The term “essentially” in relation to a feature or value is understood in particular to mean that the feature contains a deviation of up to 20% and specifically up to 10% from the feature or its geometric property or value.
Unter dem Begriff „einstückig“ in Bezug auf ein Bauteil oder eine Komponente wird hierin verstanden, dass das Bauteil bzw. die Komponente als ein Stück hergestellt ist. Dabei kann das Bauteil bzw. die Komponente aus mehreren Stücken oder Teilen, die zusammenhängen oder aneinander gekoppelt oder miteinander verbunden sind, gebildet sein. Unter dem Begriff „aus einem Stück hergestellt“ wird in dieser Hinsicht verstanden, dass das Bauteil bzw. die Komponente bei seiner Herstellung aus einem einstückigen Ausgangswerkstück hergestellt ist.The term "one-piece" in relation to a part or component means that the part or component is manufactured as a single piece. The part or component may be made up of several pieces or parts that are connected, coupled, or joined together. The term "manufactured from a single piece" in this context means that the part or component is manufactured from a single, original workpiece.
Unter dem Begriff „elektromechanisch“ wird hierin die Eigenschaft eines Elementes bzw. des Materials dieses Elementes verstanden, nach welcher dieses bei Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung oder mit einem elektrischen Strom eine mechanische Deformation, etwa eine Längenänderung, vollführt. Insbesondere wird unter einem elektromechanischem Material ein piezoelektrisches oder ein elektrostriktives oder ein magnetostriktives Material verstanden.The term "electromechanical" here refers to the property of an element or the material of that element, whereby it undergoes a mechanical deformation, such as a change in length, when subjected to an electrical voltage or current. In particular, an electromechanical material is understood to be a piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive material.
Hierin ist - sofern nichts anderes angegeben ist - unter der logischen Verknüpfung „oder“ in Bezug auf zwei Alternativen A und B eine nichtausschließende Disjunktion zu verstehen, d.h. A oder B oder beides.Unless otherwise stated, the logical connective “or” in relation to two alternatives A and B is to be understood as a non-exclusive disjunction, i.e. A or B or both.
Wenn hierin die Begriffe „wenigstens“ oder „zumindest“ mit Bezug auf die Anzahl eines Merkmals bzw. eines Elements oder eines Teils des elektromechanischen Spindelantriebs (im Folgenden als Ausgangsmerkmal bezeichnet) verwendet werden, so sind - sofern nicht explizit anders angegeben - die sich darauf direkt oder indirekt beziehenden weiteren Merkmale (im Folgenden als Bezugsmerkmale bezeichnet) so zu verstehen, dass bei Vorhandensein der Mindestanzahl des jeweiligen Ausgangsmerkmals die Bezugsmerkmale für diese Mindestanzahl gelten bzw. zutreffen, und bei Vorhandensein einer über die Mindestanzahl hinausgehenden Anzahl des Ausgangsmerkmals die Bezugsmerkmale entweder nur für die Mindestanzahl des Ausgangsmerkmals oder nur für einen Teil der der über die Mindestanzahl hinausgehenden Anzahl des Ausgangsmerkmals oder für die gesamte Anzahl der über die Mindestanzahl hinausgehenden Anzahl des Ausgangsmerkmals und somit für gesamte Anzahl des Ausgangsmerkmals gelten bzw. zutreffen. Ist beispielsweise von einer Mindestanzahl von zwei bezüglich eines Merkmals A (Ausgangsmerkmal) die Rede, so gelten die sich auf das Merkmal A direkt oder indirekt beziehende weitere Merkmale (Bezugsmerkmale) entweder exakt auf die Mindestanzahl von zwei, oder - im Falle des Vorhandenseins einer über die Mindestanzahl von zwei hinausgehenden Anzahl bezüglich des Merkmals A, beispielsweise vier - gelten die Bezugsmerkmale entweder nur die Mindestanzahl von zwei, oder für einen Teil oder für die Gesamtheit der über die Mindestanzahl von zwei hinausgehenden Anzahl von Merkmal A.When the terms "at least" or "at least" are used herein with reference to the number of a feature, element, or part of the electromechanical spindle drive (hereinafter referred to as the initial feature), then—unless explicitly stated otherwise—the further features directly or indirectly related thereto (hereinafter referred to as reference features) shall be understood as follows: if the minimum number of the respective initial feature is present, the reference features apply to this minimum number; and if the number of the initial feature exceeds the minimum number, the reference features apply either only to the minimum number of the initial feature, or only to a portion of the number of the initial feature exceeding the minimum number, or to the entire number of the initial feature exceeding the minimum number, and thus to the entire number of the initial feature. For example, if a minimum number of two is mentioned with regard to a characteristic A (initial characteristic), then the further characteristics (reference characteristics) relating directly or indirectly to characteristic A either apply exactly to the minimum number of two, or - in the case of the existence of a number exceeding the minimum number of two with regard to characteristic A, for example four - the reference characteristics apply either only to the minimum number of two, or to a part or to the entirety of the number of characteristics A exceeding the minimum number of two.
Die vorstehend beschriebenen und andere Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführungsformen werden in der Figurenbeschreibung und den Ansprüchen erläutert. Die einzelnen Merkmale können entweder separat oder in Kombination als Ausführungsformen der Erfindung verwirklicht werden. Weiterhin können sie vorteilhafte Ausführungsformen beschreiben, die selbstständig schutzfähig sind und deren Schutz ggf. erst während oder nach Anhängigkeit der Anmeldung beansprucht wird.The features described above and other features of the embodiments according to the invention are explained in the description of the figures and the claims. The individual features can be implemented either separately or in combination as embodiments of the invention. Furthermore, they can describe advantageous embodiments that are independently patentable and whose protection may be claimed only during or after the filing of the application.
Kurzbeschreibung der FigurenBrief description of the characters
Die vorstehenden, sowie weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen veranschaulicht. Es zeigt/zeigen
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1a) , b): unterschiedliche Ansichten eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Spindelantriebs mit magnetostriktiven Aktoren -
2a , b): unterschiedliche Ansichten eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Spindelantriebs mit piezoelektrischen Aktoren -
3a , b): unterschiedliche Ansichten eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Spindelantriebs mit piezoelektrischen Aktoren, die mittels keilförmiger Elemente in dem Aufnahmeraum eingespannt sind -
4 : Positioniervorrichtung in Form eines XY-Tischs mit erfindungsgemäßen elektromechanischen Spindelantrieben
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1a) , b): different views of an electromechanical spindle drive according to the invention with magnetostrictive actuators -
2a , b): different views of an electromechanical spindle drive according to the invention with piezoelectric actuators -
3a , b): different views of an electromechanical spindle drive according to the invention with piezoelectric actuators which are clamped in the receiving space by means of wedge-shaped elements -
4 : Positioning device in the form of an XY table with electromechanical spindle drives according to the invention
Detaillierte Beschreibung erfindungsgemäßer AusführungsbeispieleDetailed description of embodiments according to the invention
In den nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen bzw. Ausführungsformen oder Ausführungsvarianten sind funktionell oder strukturell einander ähnliche Elemente soweit wie möglich mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Daher sollte zum Verständnis der Merkmale der einzelnen Elemente eines bestimmten Ausführungsbeispiels auf die Beschreibung anderer Ausführungsbeispiele oder die allgemeine Beschreibung der Erfindung Bezug genommen werden.In the exemplary embodiments or variants described below, functionally or structurally similar elements are, as far as possible, provided with the same or similar reference numerals. Therefore, to understand the features of the individual elements of a particular exemplary embodiment, reference should be made to the description of other exemplary embodiments or to the general description of the invention.
Jede der Antriebseinheiten 3 umfasst einen elastisch deformierbaren Rahmenkörper 4, der zwei Aufnahmeräume 40 aufweist, in welche jeweils ein elektromechanischer Aktor 6 eingesetzt bzw. eingespannt ist. Jeder der beiden Aufnahmeräume 40 besitzt eine geschlossene Struktur, so dass der darin aufgenommene elektromechanische Aktor 6 vollständig von dem entsprechenden Aufnahmeraum 40 umgeben bzw. umfangen ist. Die Aufnahmeräume 40 sind identisch ausgebildet und symmetrisch bezüglich eines die beiden Aufnahmeräume 40 voneinander trennenden und einstückig mit dem Rahmenkörper 4 ausgebildeten Trennstegabschnitts 47, der im Wesentlichen entlang der Mitte des Rahmenkörpers 4 verläuft, angeordnet. Es ist denkbar, dass einer der Aufnahmeräume 40 oder auch beide der Aufnahmeräume eine abweichende Struktur aufweist bzw. aufweisen, insbesondere eine solche Struktur, die nicht geschlossen ist und damit den darin eingesetzten elektromechanischen Aktor nicht vollständig umgibt, wobei auch hier eine identische Struktur bzw. eine symmetrische Anordnung der entsprechenden Aufnahmeräume vorteilhaft ist.Each of the drive units 3 comprises an elastically deformable frame body 4, which has two receiving spaces 40 into which an electromechanical actuator 6 is inserted or clamped. Each of the two receiving spaces 40 has a closed structure, so that the The electromechanical actuator 6 housed therein is completely surrounded or enclosed by the corresponding receiving space 40. The receiving spaces 40 are identical and arranged symmetrically with respect to a separating web section 47, which separates the two receiving spaces 40 and is formed integrally with the frame body 4 and runs essentially along the center of the frame body 4. It is conceivable that one or both of the receiving spaces 40 have a different structure, in particular a structure that is not closed and thus does not completely surround the electromechanical actuator housed therein, whereby an identical structure or a symmetrical arrangement of the corresponding receiving spaces is also advantageous in this case.
Auch der Aufnahmeabschnitt 42 des Rahmenkörpers 4 weist eine geschlossene Struktur auf und umgibt bzw. umfängt die darin aufgenommene Gewindespindel 2 vollständig. Hierbei ergibt sich die geschlossene Struktur des Aufnahmeabschnitts 42 des Rahmenkörpers 4 durch die gemeinsame Anordnung der beiden seitlich der Gewindespindel 2 angeordneten und mit dieser in Gewindeeingriff stehenden Antriebsabschnitte 44, dem die beiden Antriebsabschnitte 44 im Bereich der Aufnahmeräume 40 und damit an proximaler Stelle miteinander verbindenden Kopplungsstegabschnitt 45 und dem die beiden Antriebsabschnitte 44 an distaler Stelle miteinander verbindenden Verbindungsstegabschnitt 46. Hierbei haben der Kopplungsstegabschnitt 45 und der Verbindungsstegabschnitt 46 im Wesentlichen die gleiche Länge.The receiving section 42 of the frame body 4 also has a closed structure and completely surrounds or encloses the threaded spindle 2 it contains. The closed structure of the receiving section 42 of the frame body 4 results from the common arrangement of the two drive sections 44, which are positioned laterally to the threaded spindle 2 and engage with it in threaded engagement, the coupling web section 45, which connects the two drive sections 44 in the area of the receiving spaces 40 and thus at the proximal position, and the connecting web section 46, which connects the two drive sections 44 at the distal position. The coupling web section 45 and the connecting web section 46 are essentially the same length.
Alle zuvor aufgeführten Abschnitte des Rahmenkörpers 4 sind einstückig mit diesem ausgebildet, wobei denkbar ist, einzelne oder alle Abschnitte durch ein jeweiliges separates Teil auszubilden.All previously listed sections of the frame body 4 are formed integrally with it, although it is conceivable to form individual or all sections with a separate part.
Bei den beiden in den Rahmenkörper 4 bzw. in dessen Aufnahmeräume 40 eingesetzten elektromechanischen Aktoren 6 handelt es sich um magnetostriktive Aktoren, welche jeweils ein magnetostriktives und säulenförmig ausgebildetes Element 66, eine das magnetostriktive Element 6 umgebende bzw. umfangende elektrische Spule 64 sowie zwei an den jeweiligen Endabschnitte des magnetostriktiven Elements 66 angrenzende Permanentmagneten 62. Die beiden bezüglich des magnetostriktiven Elements 66 endständig angeordneten Permanentmagnete 62 stützen sich jeweils mit einer ihrer Oberflächen an einer Wandfläche des Aufnahmeraums 40 ab.The two electromechanical actuators 6 inserted into the frame body 4 or into its receiving chambers 40 are magnetostrictive actuators, each comprising a magnetostrictive and column-shaped element 66, an electrical coil 64 surrounding or enclosing the magnetostrictive element 66, and two permanent magnets 62 adjacent to the respective end sections of the magnetostrictive element 66. The two permanent magnets 62, arranged at the ends of the magnetostrictive element 66, each bear against a wall surface of the receiving chamber 40 with one of their surfaces.
Durch elektrische Aktivierung bzw. Betätigung des jeweiligen elektromechanischen Aktors über einen elektrischen Strom oder eine elektrische Spannung kommt es zu einer Längenänderung des säulenförmigen magnetostriktiven Elements, wodurch eine Bewegung des zugehörigen Antriebsabschnitts 44 resultiert. Die Übertragung der Bewegung bzw. der Deformation des elektromechanischen Aktors 6 auf den zugehörigen und sich daran anschließenden Antriebsabschnitt 44 ist hierbei aufgrund der elastischen Verformbarkeit des Rahmenkörpers 4 und dessen spezifische Ausgestaltung bzw. Struktur ermöglicht. Konkret ergibt sich bei einer Längenänderung eines der elektromechanischen Aktoren 6 eine im Wesentlichen analoge und lineare bzw. translatorische Antriebsbewegung des sich an den entsprechenden elektromechanischen Aktor 6 bezogen auf dessen Längserstreckung anschließenden Antriebsabschnitt 44, und aufgrund des Gewindeeingriffs des mit der Gewindespindel 2 in Kontakt stehenden Abschnitts des Antriebsabschnitts 4 führt die lineare bzw. translatorische Bewegung des Antriebsabschnitts 44 zu einer Mitnahmebewegung der Gewindespindel 2, die aufgrund der strukturellen bzw. mechanischen Randbedingungen in eine rotatorische Bewegung der Gewindespindel 2 überführt wird.Electrical activation or actuation of the respective electromechanical actuator via an electric current or voltage causes a change in length of the column-shaped magnetostrictive element, resulting in movement of the associated drive section 44. The transmission of the movement or deformation of the electromechanical actuator 6 to the associated and subsequent drive section 44 is made possible by the elastic deformability of the frame body 4 and its specific design or structure. Specifically, a change in length of one of the electromechanical actuators 6 results in an essentially analogous and linear or translational drive movement of the drive section 44 adjoining the corresponding electromechanical actuator 6 with respect to its longitudinal extent, and due to the thread engagement of the section of the drive section 4 in contact with the threaded spindle 2, the linear or translational movement of the drive section 44 leads to a driving movement of the threaded spindle 2, which is converted into a rotational movement of the threaded spindle 2 due to the structural or mechanical boundary conditions.
Bevorzugt ist hierbei, dass der jeweils andere elektromechanische Aktor 6 durch ein gegenläufiges Spannungssignal elektrisch so angesteuert wird, dass er eine identische, jedoch entgegengesetzte Bewegung bzw. Deformation vollführt, und es damit zu einer entgegengesetzten linearen bzw. translatorischen Antriebsbewegung des anderen Antriebsabschnitts 44 kommt, welche den durch den ersten Antriebsabschnitt 44 hervorgerufenen rotatorischen Antrieb der Gewindespindel 2 unterstützt. Hierbei ist es von besonderem Vorteil, wenn die an den beiden elektromechanischen Aktoren 6 einer Antriebseinheit 3 anliegenden gegenläufigen Spannungssignale die gleiche Phase aufweisen bzw. gleichphasig sind. Vorteilhaft ist hierbei insbesondere die Verwendung von sägezahnförmigen oder sägezahnformähnlichen Spannungssignalen, bei denen im zeitlichen Bereich der flacheren Flanke eine entsprechend langsamere Deformation des elektromechanischen Aktors 6 und damit eine langsame Antriebsbewegung der Antriebsabschnitte 44 resultiert, welche aufgrund von Haftreibung zwischen den Antriebsabschnitten 44 und der Gewindespindel 2 zu einer Mitnahme bzw. einer Mitnahmebewegung der Gewindespindel 2 führt. Im zeitlichen Bereich der steileren Flanke der sägezahnförmigen Spannungssignale hingegen erfolgt eine der Antriebsbewegung entgegengesetzte und wesentlich schnellere Bewegung der Antriebsabschnitte 44, die zum Einsetzen von Gleitreibung zwischen den Antriebsabschnitten 44 und der Gewindespindel 2 führt, so dass gerade keine oder nur eine vernachlässige Mitnahme bzw. Mitnahmebewegung der Gewindespindel 2 resultiert.Preferably, the other electromechanical actuator 6 is electrically controlled by an opposing voltage signal such that it performs an identical but opposite movement or deformation, resulting in an opposing linear or translational drive movement of the other drive section 44, which supports the rotary drive of the threaded spindle 2 caused by the first drive section 44. It is particularly advantageous if the opposing voltage signals applied to the two electromechanical actuators 6 of a drive unit 3 have the same phase or are in phase. The use of sawtooth-shaped or sawtooth-like voltage signals is particularly advantageous here, as the shallower edge of the signal results in a correspondingly slower deformation of the electromechanical actuator 6 and thus a slow drive movement of the drive sections 44. This slow movement, due to static friction between the drive sections 44 and the threaded spindle 2, leads to the spindle 2 being driven or driven. Conversely, the steeper edge of the sawtooth-shaped voltage signals results in a significantly faster movement of the drive sections 44, opposite to the drive movement. This leads to the onset of sliding friction between the drive sections 44 and the threaded spindle 2, resulting in either no drive or only a negligible drive movement of the threaded spindle 2.
Die Antriebsabschnitte 44 können insbesondere deshalb der Bewegung bzw. der Deformation der elektromechanischen Aktoren 6 folgen, weil der Rahmenkörper 4 hauptsächlich wegen seiner strukturellen Ausgestaltung ein elastisches Deformationsvermögen besitzt. Dazu weist der Rahmenkörper 4 mehrere dünne und stegförmige Abschnitte auf, die zumindest in Bereichen wie eine Art Festkörpergelenk fungieren. Neben dem Kopplungsstegabschnitt 45, dem Verbindungsstegabschnitt 46 und dem Trennstegabschnitt 47 - welche zuvor bereits beschrieben wurden - trägt auch ein Seitenstegabschnitt 48 pro Aufnahmeraum 40, welcher jeweils dem Trennstegabschnitt 47 bezüglich des dazwischen gelegenen elektromechanischen Elements 6 gegenüberliegend angeordnet ist, zu der elastischen Deformationsfähigkeit des Rahmenkörpers 4 bei. Aufgrund der symmetrischen Struktur des Rahmenkörpers in Bezug auf eine Mittelachse, die durch die Mitte des Trennstegabschnitts 47 und durch die Gewindespindelachse verläuft, ergibt sich, dass die beiden Seitenstegabschnitte 48 im Wesentlichen die gleiche Länge aufweisen.The drive sections 44 can therefore be subjected in particular to movement or deformation. The electromechanical actuators 6 follow the movement of the frame body 4 because its structural design gives it elastic deformation capability. The frame body 4 has several thin, web-like sections that function, at least in some areas, like a type of solid-state hinge. In addition to the coupling web section 45, the connecting web section 46, and the separating web section 47 – which have already been described – a side web section 48 for each receiving space 40, which is arranged opposite the separating web section 47 with respect to the intervening electromechanical element 6, also contributes to the elastic deformation capability of the frame body 4. Due to the symmetrical structure of the frame body with respect to a central axis that runs through the center of the separating web section 47 and through the threaded spindle axis, the two side web sections 48 are essentially the same length.
Die vorstehend genannten und zumindest bereichsweise als Festkörpergelenke fungierenden Abschnitte ermöglichen auch eine geführte und damit definierte Bewegung der Antriebsabschnitte, wobei die entsprechenden linearen bzw. translatorischen Antriebsbewegungsrichtung tangential bezüglich der Gewindespindel und parallel zueinander verlaufen, und die Antriebsabschnitte dabei in definiertem Kontakt bzw. Gewindeeingriff mit der Gewindespindel verbleiben.The aforementioned sections, which function at least partially as solid-body joints, also enable a guided and thus defined movement of the drive sections, whereby the corresponding linear or translational drive movement direction is tangential to the threaded spindle and parallel to each other, and the drive sections remain in defined contact or thread engagement with the threaded spindle.
Aufgrund der Verwendung zweier zueinander beabstandeter Antriebseinheiten 3 ist eine zusätzliche und insbesondere passive Lagerung der Gewindespindel 2 überflüssig, da deren Lagerung alleine über ihre Anordnung in den beiden Aufnahmeabschnitten 42 und die mechanisch feste Verbindung der beiden Antriebseinheiten 3 über die Verbindungseinrichtung 7 gelingt.Due to the use of two drive units 3 spaced apart from each other, an additional and in particular passive bearing of the threaded spindle 2 is unnecessary, since its bearing is achieved solely through its arrangement in the two receiving sections 42 and the mechanically fixed connection of the two drive units 3 via the connecting device 7.
Ein weiterer Unterschied zu der in
Jeder der Rahmenkörper 4 bzw. jede der beiden Antriebseinheiten 3 des in
Nur zwei der Bewegungselemente 110 sind aktiv durch einen jeweiligen erfindungsgemäßen elektromechanischen Spindelantrieb linear angetrieben, während die beiden übrigen Bewegungselemente 110 rein passiv der durch die Spindelantriebe hervorgerufenen Bewegung der beiden angetriebenen Bewegungselemente 110 folgen. Denkbar ist, dass alle vier Bewegungselemente 110 aktiv durch einen erfindungsgemäßen elektromechanischen Spindelantrieb angetrieben sind.Only two of the motion elements 110 are actively driven linearly by a respective electromechanical spindle drive according to the invention, while the two remaining motion elements 110 passively follow the movement of the two driven motion elements 110 caused by the spindle drives. It is conceivable that all four motion elements 110 are actively driven by an electromechanical spindle drive according to the invention.
Das Positionierelement 104 hat im Wesentlichen eine quadratische Rahmenform, und an allen vier Seiten dieses Rahmens sind an den beiden jeweiligen und gegenüberliegenden Endabschnitten die entsprechenden Enden der beiden zugehörigen Festkörpergelenke 102 angeordnet, wobei diese beiden Festkörpergelenke 102 parallel zueinander liegend angeordnet sind.The positioning element 104 has essentially a square frame shape, and on all four sides of this frame the corresponding ends of the two associated solid body joints 102 are arranged at the two respective and opposite end sections, wherein these two solid body joints 102 are arranged parallel to each other.
Die jeweiligen zwei an den beiden gegenüberliegenden Endabschnitten jedes der Bewegungselemente fluchtend angeordneten Festkörpergelenke 102, die das jeweilige Bewegungselement 110 mit den zwei entsprechenden Basiselementen 108 verbindet, sind im Wesentlichen senkrecht zu den ebenfalls an den beiden gegenüberliegenden Endabschnitten angeordneten Festkörpergelenken, welche dieses Bewegungselement 110 mit dem Positionierelement 104 verbinden, angeordnet.The two solid body joints 102, which are arranged in alignment at the two opposite end sections of each of the movement elements and which connect the respective movement element 110 with the two corresponding base elements 108, are arranged essentially perpendicular to the solid body joints, which are also arranged at the two opposite end sections and which connect this movement element 110 with the positioning element 104.
Die vorstehende Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen ist exemplarisch zu verstehen. Die damit erfolgte Offenbarung ermöglicht es dem Fachmann einerseits, die vorliegende Erfindung und die damit verbundenen Vorteile zu verstehen, und umfasst andererseits im Verständnis des Fachmanns auch offensichtliche Abänderungen und Modifikationen der beschriebenen Strukturen und Verfahren. Daher sollen alle derartigen Abänderungen und Modifikationen, insoweit sie in den Rahmen der Erfindung gemäß der Definition in den beigefügten Ansprüchen fallen, sowie Äquivalente vom Schutz der Ansprüche abgedeckt sein.The foregoing description of exemplary embodiments is to be understood as illustrative. The disclosure thereby enables the person skilled in the art, on the one hand, to understand the present invention and its associated advantages, and, on the other hand, also includes, in the understanding of the person skilled in the art, obvious modifications and alterations of the described structures and methods. Therefore, all such modifications and alterations, insofar as they fall within the scope of the invention as defined in the appended claims, as well as equivalents, are to be covered by the protection of the claims.
Bezugszeichenliste:Reference symbol list:
- 11
- Elektromagnetischer SpindelantriebElectromagnetic spindle drive
- 22
- Gewindespindelthreaded spindle
- 33
- Antriebseinheitdrive unit
- 44
- Rahmenkörperframe body
- 66
- elektromechanischer Aktorelectromechanical actuator
- 77
- VerbindungseinrichtungConnection device
- 88
- FestschmierstoffelementSolid lubricant element
- 99
- Einspannvorrichtungclamping device
- 4040
- Aufnahmeraum (des Rahmenkörpers 4)Recording space (of frame body 4)
- 4242
- Aufnahmeabschnitt (des Rahmenkörpers 4)Recording section (of frame body 4)
- 4444
- Antriebsabschnitt (des Rahmenkörpers 4)Drive section (of the frame body 4)
- 4545
- Kopplungsstegabschnitt (des Rahmenkörpers 4)Coupling web section (of frame body 4)
- 4646
- Verbindungsstegabschnitt (des Rahmenkörpers 4)Connecting web section (of frame body 4)
- 4747
- Trennstegabschnitt (des Rahmenkörpers 4)Separating web section (of frame body 4)
- 4848
- Seitenstegabschnitt (des Rahmenkörpers 4)Side web section (of the frame body 4)
- 4949
- Gewindebohrungthreaded hole
- 6262
- PermanentmagnetPermanent magnet
- 6464
- SpuleSink
- 6666
- magnetostriktives Elementmagnetostrictive element
- 9090
- Oberfläche (der Einspannvorrichtung 9)Surface (of the clamping device 9)
- 9292
- keilförmiges Element (der Einspannvorrichtung 9)wedge-shaped element (of the clamping device 9)
- 100100
- PositioniervorrichtungPositioning device
- 102102
- FestkörpergelenkSolid body joint
- 104104
- PositionierelementPositioning element
- 106106
- BasisplatteBase plate
- 108108
- BasiselementBasic element
- 110110
- BewegungselementMovement element
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 10 2021 113 751 A1 [0002]DE 10 2021 113 751 A1 [0002]
- DE 10 2022 113 382 B3 [0004]DE 10 2022 113 382 B3 [0004]
Claims (15)
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