Die Erfindung betrifft einen Spindelantrieb mit einer Spindel und einer darauf ablau¬ fenden Spindelmutter zum hochgenauen Antrieb einer linear beweglichen Vorπch- tung

Spindelantπebe finden beispielsweise in der elektronischen Reproduktionstechnik bei elektronischen Aufzeichnungsgeraten zur punkt- und zeilenweisen Belichtung von Aufzeichnungsmateπahen, auch Ausgabe-Scanner, Behchter oder Recorder genannt, Anwendung

Bei einem elektronischen Aufzeichnungsgerat vom Flachbett-Typ ist das zu belich¬ tende Aufzeichnungsmaterial auf einem linear beweglichen Tisch oder Wagen auf¬ gespannt, und das Aufzeichnungsorgan ist stationär angeordnet Bei einem Auf- zeichnungsgerat vom Innentrommel-Typ befindet sich Aufzeichnungsmateπal in ei¬ ner stationären, zylindersegmentartigen Halterung, und das Aufzeichnungsorgan ist auf einem linear beweglichen Tisch oder Wagen montiert Tisch oder Wagen sind mechanisch starr mit einer Spindelmutter verbunden, mit der die Drehbewegung ei¬ ner durch einen Motor angetriebenen Spindel in eine Linearbewegung des Tisches oder Wagens umgesetzt wird

Um eine gute Aufzeichnungsqualltat insbesondere bei der gerasterten Belichtung von Aufzeichnungsmateπahen zu erzielen, ist unter anderem eine gleichförmige Li- neargeschwindgkeit des Tische bzw Wagens erforderlich die im wesentlichen von der Qualität des Spindelantriebes abhangig ist Bei Aufzeichungsgeraten, die im Start/Stop-Betneb arbeiten, muß der Spindelantrieb darüber hinaus eine hohe Ge¬ nauigkeit bei der Positionierung des Tisches oder Wagens entlang der Spindel er¬ möglichen Dabei soll die Gleichlauf- und Positioniergenauigkeit in beiden Richtun¬ gen der Linearbewegung gewahrleistet sein

Bei der Sicherstellung einer gleichförmigen Linearbewegung und einer hohen Posi¬ tioniergenauigkeit ergibt sich bei einem herkömmlichen Spindelantrieb zur Zeit der Zielkonflikt zwischen einer möglichst eng an der Spindel anliegenden Spindelmut¬ ter, die aber in nachteiliger Weise zum Klemmen an der Spindel neigt, und einer leicht beweglichen Spindelmutter mit einer Lose, die in nachteiliger Weise die Gleichförmigkeit der Linearbewegung und die Positioniergenauigkeit beeinträchtigt

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen herkömmlichen Spindelan¬ trieb derart zu verbessern, daß eine hohe Gleichförmigkeit der Linearbewegung der Spindelmutter und eine hohe Positioniergenauigkeit entlang der Spindel erreicht

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelost Vorteilhafte Wei¬ terbildungen und Ausgestaltungen sind in den Unteranspruchen angegeben

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig 1 bis 5 naher erläutert

Es zeigen

Fig 1 ein prinzipielles Anwendungsbeispiel für einen Spindelantrieb mit einer

Spindel und einer Spindelmutter,

Fig 2 eine Draufsicht auf eine Stirnseite der Spindelmutter in Axialrichtung der Spindel,

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Fig 3 eine Seitenansicht der Spindelmutter,

Fig 4 die beiden Schaltstellungen einer Verstellvomchtung und

Fig 5 vereinfachte, ausschnittsweise Schnittbilder durch die Gleitmutter-

Segmente und durch die Spindel

Fig 1 zeigt ein pπnzipilles Anwendungsbeispiel für einen Spindelantrieb Eine Spindel (1 ) ist mittels Spmdellager (2, 3) drehbar gelagert und wird von einem Motor (4) angetrieben Die Drehbewegung der Spindel (1 ) wird durch eine Spindelmutter (5) auf der Spindel (1 ) in eine Linearbewegung (6) umgesetzt deren Richtung von der Drehrichtung der Spindel (1 ) abhangig ist Die Spindelmutter (5) ist starr mit ei¬ nem Tisch (7) verbunden, der durch zwei Langsfuhrungen (8) gefuhrt wird Für den Fall, daß der Spindelantrieb bei einem elektronischen Aufzeichnungsgerat (Belichter, Recorder) vom Flachbett-Typ Anwendung findet, ist auf dem Tisch (7) ein zu belichtendes Aufzeichnungsmateπal montiert, das von einem stationären Aufzeichnungsorgan punkt- und zeilenweise belichtet wird Bei einem Aufzeich¬ nungsgerat vom Innentrommel-Typ, bei dem sich das zu belichtende Aufzeich- nungsmateπal in einer stationären, zylindersegmentartigen Halterung befindet, ist das Aufzeichnungsorgan auf dem Tisch (7) montiert Der erfindungsgemaße Spin¬ delantrieb wird nachfolgend naher beschrieben

Fig 2 zeigt eine Draufsicht auf eine Stirnseite der Spindelmutter (5) in Axialπchtuπg der Spindel (1 ) Die Spindelmutter (5) besteht prinzipiell aus einem die Spindel (1 ) umgebenden Grundblock (8) mit einer Bohrung (9) für die Spindel (1 ), mindestens zwei oberhalb der Spindel (1 ) angeordneten oberen Gleitmutter-Segmenten (10, 11 ) und mindestens einem unterhalb der Spindel (1 ) angeordneten unteren Gleitmutter- Segment (12)

Die Innenflächen der hohlzyhndersegmentformigen Gleitmutter-Segmente (10, 11 , 12) sind als Gewinde ausgebildet, die in das Gewinde der Spindel (1 ) eingreifen Das Profil des Gewindes der Gleitmutter-Segmente (10, 11 , 12) entspricht annä¬ hernd dem Profil des Gewindes der jeweils verwendeten Spindel (1 ) Jedoch sind Breite und Tiefe des Gewindes der Gleitmutter-Segmente (10, 11 , 12) kleiner als die entsprechende Breite und Tiefe des Gewindes der verwendeten Spindel (1 ) Durch die unterschiedlichen Breiten des Mutter-Gewindes und des Spindel-Gewindes entsteht eine gewollte Axiallose zwischen Gleitmuttersegmenten (10, 11 , 12) und Spindel (1 ), wodurch sich die Spindelmutter (5) und damit auch die angekoppelten Elemente leicht entlang der Spindel (1 ) hin- und herbewegen lassen

Im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel sind zwei im Querschnitt viertelkreisformige, obere Gleitmuttersegmente (10, 11 ) und ein im Querschnitt halbkreisförmiges, unte¬ res Gleitmutter-Segment (12) vorgesehen Die Gleitmutter-Segmente (10, 11 , 12) weisen, wie in Fig 3 erkennbar, ihre Durchmesser übersteigende Axiallangen auf Die Gleitmutter-Segmente (10, 11 , 12) werden in vorteilhafter Weise aus einer hohlzylinderformigen Gleitmutter gefertigt, welche die verwendete Spindel (1 ) mit einer Radiallose umschließt Die oberen Gleitmutter-Segmente (10, 11 ) sind an dem Grundblock (8) im wesentlichen in Radialπchtung zur Spindel (1 ) justierbar ange- ordnet und mittels Schrauben (13) an dem Grundblock (8) fixierbar Zur Justierung der oberen Gleitmutter-Segmente (10, 11 ) wird die montierte Spindelmutter (5) in zweckmäßiger Weise in einen nicht durchhangenden Bereich der Spindel (1 ), also in der Nähe eines Spindellagers (2, 3) positioniert In dieser Position werden die oberen Gleitmutter-Segmente (10, 11 ) manuell an die Spindel (1 ) gedruckt und dann mittels der Schrauben (13) an dem Grundblock (8) fixiert, wodurch die Radial¬ lose der oberen Gleitmutter-Segmente (10, 11 ) bezüglich der Spindel (1 ) minimiert wird

Das untere Gleitmuttersegment (12) weist, wie in Fig 3 naher erkennbar, in dem dem Grundbiock (8) zugewandten Bereich mindestens zwei Gleitfuße (14, 15) auf,

die sich an dem Grundblock (8) abstutzen und in dem dem Grundblock (8) zuge¬ wandten Bereich der Gleitmuttter-Segmente (10, 11 , 12) für einen definierten Ab¬ stand zwischen den oberen Gleitmutter-Segmenten (10, 1 1 ) und dem unteren Gleitmutter-Segment (12) sorgen

Die Spindelmutter (5) weist außerdem Zugfedern (16) auf Die Zugfedern (16) be¬ wirken eine Zugkraft zwischen der aus dem Grundblock (8) und den oberen Gleit¬ mutter-Segmenten (9, 10) gebildeten starren Einheit und dem unteren Gleitmutter- Segment (12) Mittels der Zugfedern (16) wird die elastische, zwischen den Spmdel- lagern durchhangende Spindel (1 ) im Bereich der Spindelmutter (5) von dem unte¬ ren Gleitmutter-Segment (12) angehoben und mit einer definierten Kraft an die obe¬ ren Gleitmutter-Segmente (10, 11 ) angedruckt, wodurch für eine genaue Fuhrung der Spindel (1 ) gesorgt wird

Durch die federnde Anlage der Gleitmutter-Segmente (10, 11 , 12) an die Spindel (1 ) wird außerdem erreicht, daß ein nicht zu verhinderndes Einschieben der Spindel (1 ) in das Material der Gleitmutter-Segmente (10, 11 , 12) nicht zu unregelmäßigen und unkontrollierbaren Differenzbewegungen der Gewindeflanken des Spindel-Gewin¬ des gegenüber den Spindelflanken des Mutter-Gewindes fuhrt

Die Spindelmutter (5) weist außerdem eine unter der Spindel (1 ) angeordnete Ver¬ stell Vorrichtung (17) auf, deren Aufbau und Wirkungsweise spater erläutert wird

Der Grundblock (8) stellt ein starres Verbindungsglied zwischen dem zu bewegen- den Teil, beispielsweise dem Tisch (7) nach Fig 1 , und den oberen Gleitmutter- Segmenten (10, 11 ) bzw der Spindel (1 ) selbst dar

Der Grundblock (8) kann in einer zur Zeichenebene senkrechten Ebene in gewissen Grenzen durch Verschieben und Drehen relativ zu dem zu bewegneden Teil justiert

werden, wodurch die oberen Gleitmutter-Segmente (10, 11 ) in der Ebene in dem richtigen Winkel zur Spindel (1 ) eingestellt werden können

Fig 3 zeigt eine Seitenansicht der Spindelmutter (5) Die Gleitfuße (14, 15), die bei- spielsweise halbkugelformig ausgebildet sind, befinden sich auf der Außenflache eines im Querschnitt halbkreisförmigen Abschlußdeckels (18), der an der dem Grundblock (8) zugewandten Stirnflache des unteren Gleitmutter-Segmentes (12) angebracht ist Bei der Montage wird der Abschlußdeckel (18) zunächst in Bezug auf den Grundblock (8) ausgerichtet und dann das untere Gleitmutter-Segment (12) in Ausrichtung zur Spindel (1 ) bzw zu den oberen Gleitmutter-Segmenten (10, 11 ) mittels Schrauben (19) an den Abschlußdeckel (18) justiert angesetzt

Die Gleitfuße (14, 15) stutzen sich auf einer durch eine Aussparung in dem Grund¬ block (8) gebildete Auflageflache (20) ab

Die Zugfedern (16), im Ausfuhrungsbeispiel vier Zugfedern, sind mit ihren einen Enden paarweise an den stirnseitigen Bereichen des unteren Gleitmutter- Segmentes (12) angebracht, wahrend die anderen Enden der Zugfedern (16) am Grundblock (8) bzw an den oberen Gleitmutter-Segmenten (10, 11 ) befestigt sind Die Zugfedern (16) bestimmen auch die Auflagekraft der beiden Gleitfuße (14 15) auf der Auflageflache (20)

Durch die Gleitfuße (14, 15) in Verbindung mit den Zugfedern (16) wird ein leichte Bewegung des unteren Gleitmutter-Segmentes (12) gegenüber den oberen Gleit- mutter-Segmenten (10, 11 ) in einer zur Zeichenebene senkrechten Ebene sicher¬ gestellt, wodurch sich das bewegliche untere Gleitmutter-Segment (12) in vorteilhaf¬ ter Weise selbsttätig in die richtige Position zur Spindel (1 ) einstellt

Darüber hinaus kann das untere Gleitmutter-Segment (12) eine leichte Kippbewe- gung um die Berührungspunkte der Gleitfuße (14, 15) mit der Auflageflache (20) im

Grundblock (8) in Richtung der Spindel (1 ) durchführen, wodurch ein unvermeidba¬ res Eiπschleifen der Spindel (1 ) in das Material der Gleitmutter-Segmente (10, 11 , 12) in bevorzugter Weise durch selbsttätiges Nachstellen der Gleitmutter-Segmente (10, 11 , 12) ohne Qualitätsverlust ausgeglichen wird.

Innerhalb des unteren Gleitmutter-Segmentes (12) ist die Versteilvorrichtung (17) angebracht. Die Verstellvorrichtung (17) weist im wesentlichen eine in Axiairichtung der Spindel (1 ) verschiebare Schubstange (21 ), ein an der Schubstange (21 ) befe¬ stigtes Schubelement (22) und zwei die Schubstange (21 ) umschließende Druckfe- dem (23, 24) links und rechts des Schubelementes (22) auf. Die Schubstange (21 ) stützt sich an dem Grundblock (8) ab. Durch eine gesteuerte Axialbewegung der Schubstange (21 ) in zwei Stellpositionen rechts und links einer in Fig. 2 dargestell¬ ten kraftneutralen Mittelstellung wird erreicht, daß das Schubelement (22) entweder die eine oder die andere Druckfeder (23, 24) zusammendrückt, wodurch eine ent- sprechend gerichtete axiale Andruckkraft in das untere Gleitmutter-Segment (12) eingeleitet wird. Die beiden Stellpositionen der Versteilvorrichtung (17) sind in Fig. 4a und Fig. 4b dargestellt. Die axiale Verschiebung der Schubstange (21 ) in die beiden Stellpositionen kann vorzugsweise mit Hilfe eines geeigneten, elektrisch gesteuerten Verstellorgans, beispielsweise mit Hilfe eines Motors, durchgeführt werden.

In Fig. 4a und Fig. 4b sind die beiden Stellpositionen der Verstellvorrichtung (17) in dem unteren Gleitmutter-Segment (12) der Spindelmutter (5) dargestellt. In der Stellposition nach Fig. 4a wird die rechte Druckfeder (24) zusammengedrückt, wo- durch eine nach rechts gerichtete axiale Andruckkraft auf das untere Gleitmutter- Segment (12) ausgeübt wird. Dagegen wird in der Stellposition nach Fig. 4b die lin¬ ke Druckfeder (23) zusammengedrückt, wodurch eine nach links gerichtete axiale Andruckkraft auf das untere Gleitmutter-Segment (12) ausgeübt wird.

Zur Verdeutlichung der Wirkungsweise des erfindungsgemaßen Spindelantriebes zeigen Fig 5a und Fig 5b in vereinfachten, ausschnittsweisen Schnittbildern den Eingriff der Gewinde der Gleitmutter-Segmente (10, 11 , 12) der Spindelmutter (5) in das Gewinde der Spindel (1 ) Es ist ersichtlich, daß das Profil des Mutter-Gewindes, im gezeigten Beispiel ein trapezförmiges Profil, annähernd dem Profil des Spindel- Gewindes entspricht und daß aufgrund der etwas geringeren Profilbreite des Mut¬ tergewindes gegenüber der Profilbreite des Spindel-Gewindes eine Axiallose zwi¬ schen dem Mutter-Gewinde und dem Spindel-Gewinde besteht Es ist außerdem ersichtlich, daß sich die Talflachen (25) des Mutter-Gewindes jeweils auf der bear- beiteten Außen- bzw Mantelflache der Spindel (1 ) als Referenzflache für die radiale Positionierung abstutzen, wobei die Anlage der oberen Gleitmutter-Segmente (10, 11 ) an der Mantelflache der Spindel (1 ) durch die Justierung der oberen Gleitmut¬ ter-Segmente (10, 11 ) und die Anlage des unteren Gleitmutter-Segmentes (12) an die Mantelflache der Spindel (1 ) durch die Zugfedern (16) erreicht wird

Durch diese Art der Fuhrung der Gleitmutter-Segmente (10, 11 , 12) an der bearbei¬ teten Mantelflache der Spindel (1 ) ist sichergestellt, daß die Gewindeflanken der Gleitmuttem (10, 11 , 12) stets in einer definierten Flankenhohe mit den Gewin¬ deflanken der Spindel (1 ) Berührung haben, wodurch die Gewindeflanken des Mut- ter-Gewindes und des Spindel-Gewindes stets mit konstantem Andruck aufeinander gleiten Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine hohe Genauigkeit bei der Umset¬ zung der Drehbewegung der Spindel (1 ) in die Linearbewegung der Spindelmutter (5) erzielt Durch Verwendung von Prazisionsspindeln laßt sich die Genauigkeiten noch steigern, ohne daß die Fertigungsgenauigkeit für die Spindelmutter (5) erhöht werden muß Bei der Herstellung von Prazisionsspindeln wird namlich bereits eine hoch präzise Mantelflache als Referenzflache für den Schleifprozeß benotigt, die dann in bevorzugter Weise auch als Referenzflache beim Abstutzen der Gleitmut¬ ter-Segmente (10, 11 , 12) verwendet werden kann

Mittels der Verstellvomchtung (17) laßt sich in vorteilhafter Weise eine von der ge¬ wünschten Richtung der Linearbewegung abhangige Anlage der Gewindeflanken des Mutter-Gewindes und der Gewindeflanken des Spindel-Gewindes erreichen

Bei der in Fig 4a gezeigten Stellposition der Verstellvomchtung (17) sind jeweils die linken Gewindeflanken der oberen Gleitmutter-Segmente (10, 11 ) und der Spin¬ del (1 ) im Eingriff, wodurch die oberen Gleitmutter-Segmente (10, 11 ), der Grund¬ block (1 ) und damit auch die an den Gruπdblock (1 ) mechanisch angekoppelten Elemente in Richtung (Nutzrichtung) eines Pfeiles (26) geschoben werden, wahrend die rechten Gewindeflanken des unteren Gleitmutter-Segmentes (12) und der Spin¬ del (1 ) federnd im Eingriff sind (Fig 5a)

Bei der in Fig 4b gezeigten Stellposition der Verstellvomchtung (17) sind dagegen jeweils die rechten Gewindeflanken der oberen Gleitmutter-Segmente (10, 11 ) und der Spindel (1 ) im Eingriff, wodurch die oberen Gleitmutter-Segmente (10, 11 ) und die mechanisch angekoppelten Elemente in Richtung eines Pfeiles (27) geschoben werden, wahrend die linken Gewindeflanken des unteren Gleitmutter-Segmentes (12) und der Spindel (1 ) federnd im Eingriff sind (Fig 5b)

Durch die oben beschriebene πchtungsabhangige Umsteuerung bei dem erfin¬ dungsgemaßen Spindelantrieb "schieben" die Gewindeflanken des Spindel- Gewindes stets ohne Axiallose die in Richtung der genutzen Linearbewegung lie¬ genden Gewindeflanken des Gewindes der oberen Gleitmutter-Segmente (10, 11 ) Es entsteht eine πchtungsunabhangige, starre Kopplung zwischen Spindel (1 ) und den über die Spindelmutter (5) starr angekoppelten Elementen ohne die Gefahr, daß geschwmdigkeitabhaπgige, störende Eigenschwingungen auftreten

Der die Spindel (1 ) antreibende Motor (4), beispielsweise ein Schrittmotor, reagiert bei Drehmomentschwankungen mit entsprechenden Lastwinkelschwankungen Die Folge von Lastwinkelschwankungen sind Winkelgeschwindigkeitsanderungen der

Spindel (1 ) und damit störende Änderungen der Lineargeschwindigkeit Um eine konstante Lineargeschwindigkeit zu erzielen, muß daher das dem Motor (4) abver¬ langte Drehmoment möglichst konstant sein Ein nahezu konstantes Drehmoment wird bei dem erfindungsgemaßen Spindelantrieb dadurch erreicht, daß die Gewin- deflanken des Spindel-Gewindes und des Mutter-Gewindes mit einer definierten Andruckkraft miteinander im Eingriff sind und daß durch die "federnde" Lose der Spindelmutter (5) keine Drehmomentenspitzen infolge einer Klemmung zwischen Spindel (1 ) und Spindelmutter (5) auftreten können

Bei Verwendung des erfindungsgemaßen Spindelantriebes beispielsweise in einem Aufzeichnungsgerat mit Start/Stop-Betrieb laßt sich somit in vorteilhafter Weise eine hohe Gleichförmigkeit der Linearbewegung des Tisches oder Wagens sowie eine hohe Positioniergenauigkeit und damit insgesamt eine gute Aufzeichnuπgsqualitat erzielen