DE3125746A1

DE3125746A1 - Differential-schraubenbetaetigungseinrichtung

Info

Publication number: DE3125746A1
Application number: DE19813125746
Authority: DE
Inventors: Theodore Amen 90245 Simi Valley Calif. Heinz
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1980-06-30
Filing date: 1981-06-30
Publication date: 1982-02-25
Anticipated expiration: 2001-07-01
Also published as: JPH0126427B2; FR2485675B1; DE3125746C2; JPS5743047A; CA1162420A; GB2078903A; SE448905B; SE8101909L; US4373404A; GB2078903B; FR2485675A1

Description

1A-3523
78R38

ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION El Segundo, California, USA

Differential-Schraubenbetätigungseinrichttrag

Die Erfindung betrifft eine Differential-Schraubenbetätigungseinrichtung und insbesondere betrifft die Erfindung eine Kugel-Schrauben-Betätigungseinrichtung für eine Spiegelhai terung oder dergl., wie sie in der US-PS 4 060 314 beschrieben ist. Allgemein bezieht sich di© Erfindung auf Präzisionsbetätigungen zur Bewirkung und Aufrechterhält tung kleiner, äußerst wohldefiniert©r PositionsVerschiebungen.

Die US-PS 4 060 314 beschreibt ein© Einrichtung zum und Schwenken eines Laserspiegels« Di® Ausdrücke und "Schwenken" werden verwendet, um zwischen zw©i verschiedenen Drehbewegungen um zwei sich schneidende Achsen in der Spiegelebene zu unterscheiden. D©r Spiegel ist direkt

auf einer Halterungsplatte befestigt, welche wiederum mit Hilfe eines Biegeelements freitragend gehalten ist. Relativ zur Halterung werden der Spiegel und die Halteplatte gekippt und geschwenkt, wobei sie von den biegbaren Elementen gehalten werden. Hierzu dienen zwei sog. Differential-Kugelschraubenbetätigungseinrichtungen. Jede Betätigungseinrichtung umfaßt Schrauben und zwei Gruppen von Kugellagerkugeln. Letztere sind innerhalb einer kontinuierlichen, helixförmigen Bahn, welche an beiden Enden verschlossen ist, vorgesehen. Die Helixbahn hat an einem Ende einen Steigungswinkel, welcher verschieden ist von demjenigen am anderen Ende. Hierdurch erzielt man eine Differentialbewegung zwischen den beiden Enden, wenn die Schraube entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird. Die Kugeln in den geschlossenen, kontinuierlichen, kanalförmigen Bahnen stehen in Druckkontakt mit den Wandungen (welche durch die geschlossenen, kontinuierlichen Bahnen gebildet werden). Die Kompressionskraft wird bereitgestellt durch die Biegeelemente zwischen der Halteplatte und der stationären Halterung. Die kombinierte Ablenkung sowohl der Kugeln als auch der Kontaktflächen der Wandungen führt zu einer Ausmittelung etwaiger Fehler, welche durch die Vielzahl von Kugeln eingeführt werden. Hierdurch erhält man eine äußerst hohe Einstellpräzision der Halteplatte des Spiegels in bezug auf die stationäre Halterung in der Größenordnung von etwa 0,5 Zoll χ 10 Zoll oder darüber. Die Positionierung der Halteplatte wird erreicht durch Antrieb einer Jeden der beiden Differential-Schraubenbetätigungseinrichtungen mit Schrittmotoren mit Spielkompensation. Hierdurch kann der Spiegel präzise positioniert werden. Durch die Differential-Kugelschraubeneinrichtungen in Kombination mit einem Untersetzungsgetriebe erzielt man z.B. eine Spiegelbewegung von weniger als 1 Mikrozoll pro Schritt der Antriebseinrichtung. Die Betätigungseinrichtungen werden in der eingestellten Position durch die Rast-

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wirkung der Schrittmotoren verriegelt, und zwar mit oder ohne Felderregung. Hierdurch werden Fehlausriehtung©n d,@s Spiegels eliminiert. Solche Fehlausrichtungen treten b@I herkömmlichen Spiegelhalterungen beim Verriegeln ders©lb@m ein, wenn Stellschrauben oder dergl. manuell angezogen w©r= den. Die Befähigung dieser Einrichtung, eine bestimmt© Stellposition beizubehalten,und die erreichbare Gesamt= Stabilität stellen wesentliche Vorteile dar.

Man erkennt leicht, daß die Betätigungspräzisions, welch' einem Kugelschraubenbetätigungsgerät erreichbar 1st? Ia.

wissem Maße von der Differenz des Steigungswinkels deren Bereiche und der hinteren Bereiche der Schraub© ab= hängt. Je geringer diese Differenz ist, umso groß©? ist di Präzision. Eine Verringerung der Differenz bedingt seits jedoch eine Verlängerung der Schraube zur des erforderlichen Betätigungshubs. Aus diesem den wiederum tiefe Ausnehmungen für die Aufnahm© Schrauben benötigt. In vielen Fällen wird ein© länge von mehreren 30 cm benötigt und die langen Ummantelungen stehen nicht ohne weiter©® gung. Darüberhinaus sind lange Schrauben und tief® telungen sehr teuer, da in beiden Fällen eine hohe sion über erhebliche Längen aufrechterhalten

Es 1st somit Aufgabe der vorliegenden Erfindimg» und verbesserte Differential-Schraubenbetätigungseijarislhi=' tung zu schaffen, welche eine kürzer© Schraub© aufw©is®n kann«

Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, eine n©u© und, v©rb@s~ s©rt© Differential-Scnraubenbetätigungssinrlchtimg mx sctoi fen, insbesondere eine KugelschraubenbetätigimgselaFiclitusii welche einen beträchtlich erweiterten Einsteirb@£*®ich aufweist.

Es ist insbesondere Aufgabe der Erfindung} die Präzisionseinstellung von optischen Elementen, z.B. von Laserspiegeln, aber auch von Maschinentischen, Spureinrichtungen und anderen Geräten, bei denen die Erzielung und Aufrechterhaltung einer präzisen Position und/oder präziser Orientierungswinkel erforderlich ist, zu verbessern.

Es ist insbesondere Aufgabe der Erfindung, Differential-Schraubenbetätigungseinrichtungen zu verbessern, bei denen eine erste und eine zweite Platte oder plattenartige Elemente jeweils ein Lager- und/oder Befestigungselement aufweisen, das eine Mutter umfaßt und durch das sich eine gemeinsame Betätigungsschraube hindurcherstreckt, die unterschiedliche Steigungswinkel in unterschiedlichen Bereichen aufweist, wobei das Schraubengewinde und das Muttergewinde entweder durch Gewindeeingriff direkt gekoppelt sind oder vorzugsweise durch Kugellagerkugeln derart, daß die Schraube durch die Muttern hindurchgeschraubt werden kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, eine Mutter relativ zur zugeordneten Platte zu fixieren, so daß die Schraube bei einer Drehbewegung stets eine axiale Bewegung relativ zu dieser Mutter ausführt. Mit der anderen Mutter ist die Schraube im Sinne einer gemeinsamen Drehung über einen bestimmten Bereich gekoppelt, während sie für den benachbarten Drehbereich entkoppelt wird, so daß eine axiale Relativbewegung möglich ist. Solange die Schraube mit der anderen Mutter gekoppelt ist, werden die Platten oder plattenartigen Elemente mit einer hohen Geschwindigkeit aufeinander zu- oder voneinander wegbewegt. Diese hohe Geschwindigkeit wird direkt durch den Steigungswinkel einer einzigen Mutter und des zugeordneten Schraubenbereichs bestimmt, wobei diese Mutter stets an einer Drehbewegung gehindert wird. Sofern die Schraube durch beide Muttern hindurchgeschraubt wird

J.

und beide Muttern an einer Drehbewegung gehindert w©rd©n₉ kommt es zu einer Verschiebung der Platten relativ zu©In~ ander in Abhängigkeit von der S'teigungswinkeldifΐ®r®nz„ Auf diese Weise wird der Arbeltsbereich drastisch erweitert und/oder die Anforderungen hinsichtlich d@r Läng® d@r Schraube werden drastisch gesenkt. Während des größten T ©ils einer relativ großen Einstellbewegung wird nur ein© Mutt©? festgehalten, so daß die Schraube direkt gemäß d©m $tei~ gungswinkel vorwärtsbewegt wird. Hierbei kommt ©s zu ein®r Grobeinstellung. Auf diese Grobeinstellung folgt jedoch stets eine Feinjustierung im Differentialbetrieb wad dl©s® Feinjustierung wird nur über einen kleinen Beweguagsfoereich vorgenommen. Dieser kleine Bewegungsbereich sticht zur Erzielung der erforderlichen Präzision

Bei einer bevorzugten AusfUhrungsfona ist ©in Paax* von lungsstiften vorgesehen. Ein Stift ist an der Seteatab® angeordnet und der andere an der Mutter« Sobald, dl® Stift© in Angriff aneinander stehen, dreht sich samraen mit der Schraube. Bei Trennung der wird die Schraube durch die Mutt©r g Solange die Stifte für gemeinsame Drehung gekoppelt sind_p ©rfolgt die Verschiebung der Platten relativ im direkten Betrieb im Sinn© ©isaer Grob@ißst©llTüsng d©r Gewindebereich der Schraub®, welcher mit der tesa Mutter zusammenwirkt, die stets an einer hindert wird, einen St©iguogewisk©l aufweist ist als der Steigungswink®! des andüren G©wind©fo©r©ichs der Schraube, so wird der Schraubenantrieb, Z₀Bo ©in Schritt= motor, stets im Sinne eines übersehieBens um ©in©n gen Betrag gesteuert und danach wird di© umgekehrt. Mun werden die Stift©

di© endgültige Positioni®rnMg wird mit d®^ Präzision des Diffar©ntialbetri©bg vollzogeinio W©m aad®F©Fs©its ä@r Steigungswinkel des Bereichs der Schraub® ₉ der mit der

JO-

permanent fixierten Mutter zusammenwirkt, größer ist als der Steigungswinkel des Schraubenbereichs, der mit der selektiv immobilisierten Mutter zusammenwirkt, so erfolgt die Antriebssteuerung nicht im Sinne eines Überschießens der Bewegung. Vielmehr wird die Grobeinstellung kurz vor der angestrebten Endposition gestoppt. Nun wird wiederum die Motordrehrichtung umgekehrt. Nun gelangen die Stifte außer Eingriff miteinander und es findet die gewünschte Feinpositionierung gemäß der Steigungswinkeldifferenz statt. Hierdurch werden die Platten direkt in die Endposition bewegt, ohne daß sie zunächst über die Endposition hinausbewegt werden. In Jedem Falle findet zunächst eine Positionseinstellung im Grobbetrieb Über eine bestimmte, kurze Hubstrecke statt, gefolgt von einer Motordrehrichtungsumkehrung und einem Feinjustierbetrieb. Die Hublänge hängt ab vom Steigungswinkel, von der Steigungswinkeldifferenz und von den Positionen der Anschlagstifte. Die .Gesamthublänge einer Einstellvorrichtung dieses Typs hängt nicht mehr ab von der Steigungswinkeldifferenz zwischen den beiden Muttern und Schraubenbereiche. Vielmehr bestimmt der Steigungswinkel der permanentgehaltenen Mutter den maximalen Hub und die Länge der Schraube,und der Differentialsteigungswinkel dient nur zur endgültigen Präzisionsjustierung.

Die vorliegende Erfindung kann bei relativ einfachen Anlagen angewendet werden, z.B. zur Bewegung zweier Platten relativ zueinander. Dabei muß eine Schwenkbewegung nicht vorliegen. Ferner muß bei einer solchen Einrichtung die Schraube auch keine Gravitationskräfte aufnehmen (im Falle einer freitragenden Aufhängung). Im einfachsten Fall kann die Schraube in entsprechende Muttern in üblicher Weise eingeschraubt sein, üblicherweise ist jedoch die Basis eines Laserspiegels freitragend an einer Halterung befestigt. In diesem Falle sollten druckbeaufschlagte Kugeln verwendet

werden, um die gewindemäßige Koppelung der beiden Schraubenbereiche mit den Muttergewinden zu vermitteln. Di© beaufschlagung wird durch Biegeelemente herbeigeführt, di© zwischen den beiden Platten wirken, wie im obengenannten Patent beschrieben. DarUberhlnaus handelt es sich bei d@r Einstellung eines solchen Spiegels um eine Kipp- od©z» Schwenkeinstellung, so daß Kugelgelenke erforderlieh sindο Diese erlaubt eine Winkelverstellung der Achse d®5? Schraube relativ zu den Platten oder mindestens relativ zu einer Platte. Die Verwendung einer Vielzahl von droslslbüaisfschlagten Kugeln zur Herbeiführung der Kupplung i.©^ Mut» tern mit der Schraube verhindert ein Antriebsspi©! ©des* andere Lockerungen, welche zu einer Verringerung nauigkeit führen. Die Position wird mit äußerst©? eingestellt und sicher gehalten. Das Prinzip Halterung der beiden Kugelmuttern in der gungseinrichtung erlaubt eine drastische Betätigungsschraube.

Im folgenden wird die Erfindung anhand v©a Z©i©: erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer bevorzugt führungsform der erfindungsgemäßen Kugel-Schraub®ßb©täti gungseinrichtung, teilweise im Schnitt;

Fig. 2 eine abgewandelte AusführungsfoFsi ®ln®r Kugel-Mutter-Anordnung bei der Einrichtung gemäß FIg»1

Fig. 3 ©ine abgewandelt© Ausführungsfora d@s Schraubenführungsteils der Einrichtung gemäß Figo 1 „

Mit der in den Zeichnungen dargestellten und im aachfolg©: den beschriebenen Betätigungseinrichtung erzielt präzise Verschiebungen und Relativposition@n zwischen ©ii ersten Platte 1 und einer zweiten Platte 2_e Dies© bsiden Platten haben ,,allgemein gesprochen, ^@ ©ine öffnwng₉ und diese beiden öffnungen fluchten entlang ©in@r Aehs© 3°

-β /fö-

Durch diese öffnungen erstreckt sich eine Stange 30, deren Achse mit der Achse 3 koinzidiert. Die Stange 30 weist zwei Gewindeabschnitte auf, nämlich einen vorderen Gewindeabschnitt 31 und einen hinteren Gewindeabschnitt 32. Diese beiden Gewindeabschnitte haben geringfügig unterschiedliche Steigungswinkel, wodurch eine Differentialwirkung erzielt wird. Am hinteren Ende der Stange 30 ist ein Zahnrad 33 vorgesehen, welches mit einer langen Innenverzahnung 43 einer Hülse 40 kämmt. Das Zahnrad 33 und die Innenverzahnung 43 bilden einen Ritzelantrieb, welcher eine axiale Bewegung der Welle 30 relativ zur Hülse 40 erlaubt, wobei andererseits jedoch die Stange 30 genau der Drehung der Hülse 40 folgt.

Wie schematisch dargestellt, steht die Hülse 40 in getriebemäßiger Verbindung mit einem Antrieb 41. Dabei handelt es sich z.B. um einen Schrittmotor oder dergl.. Der Motor 41 kann durch eine Schaltung 42 gesteuert werden, welche Betätigungsimpulse zur schrittweisen Betätigung des Motors und Antriebs von einer Position zur nächsten ausgibt. Hierdurch kommt es zu einer schrittweisen Drehung oder Winkelbewegung der Stange 30. Der Motor kann z.B. mit einer Geschwindigkeit von 300 Schritten/sec betätigt werden. Die Einrichtung 42 zählt die entsprechenden ausgegebenen Impulse. Diese Drehschritte werden, wie weiter unten erläutert, in axiale Verschiebungen der Platten 1 und 2 relativ zueinander übersetzt.

Der vorderen Platte 1 ist eine vordere Anordnung 10 zugeordnet und der hinteren Platte 2 ist eine hintere Anordnung 20 zugeordnet. Die Stange 30 erstreckt sich durch diese beiden Anordnungen. Die vordere Anordnung umfaßt eine Hülse 11. Diese ist in einem Kugelelement 12 eines ersten Kugelgelenks gehalten. Das Kugelelement 12 sitzt in einer Passung 13 mit einer Innenkugelflache, und diese Fassung 13

ist wiederum zweckentsprechend in der Bohrung der Platt© 1 befestigt. Die Hülse 11 dient als Führungselement für di® Stange 30 und wird in axialer Richtung durch eine Mutter gehalten. Die Mutter 14 hält eine Scheibe 15 in Verriegelung gegen das Kugelelement 12 sowie gegen die Platt© 1. Eine Verriegelungsschraube 16 verbindet die Scheibe direkt mit der Platte 1. Die Scheibe 15 wirkt als Drehbehinderung ₉ so daß die Kugel 12 an einer Drehung um die Achse 3 gehindert wird. Die Konstruktion der Scheibe 15 kann z.Bo aus Fig. 8 der US-PS 4 060 314 entnommen werden.

An die Hülse 11 schließt sich ein Element 17 an ₉ als erste oder vordere "Kugelmutter« bezeichnet w©i Diese Mutter hat ein Helixgewinde 17'» welches als für ein Lager dient, da es eine Vielzahl von Kugeli hält. Diese Kugeln sind im Gewinde 17' enthalten und ©in= geschlossen. Sie laufen in dem Gewinde 31 der Stamg© 30 in dem Maße, wie das Gewinde 31 sich durch die Mutt@r 17 bewegt. Zur Schließung eines Kugelkreislaufs sind aicfot dargestellte Rohre oder Kanäle vorgesehen. Dies® n&bm®n di© Kugeln am hinteren Ende der Bahn auf und führen sie vorderen Ende zu, so daß stets Kugeln in der Mutter 17 vorliegen. Die Kugeln 35 stehen unter Druckkontakt mit den Wandungen der Gewinde bzw. Bahnen 17' und 31· Die Druckkraft wird durch ein Element 4 bereitgestellt» welches nur sehe= mstisoh dargestellt ist. Allg©m©ira gesprochen wirkt auf die Platten eine Kraft ein, welche versucht, dies© vonoinander wegzubewegen. Es kann zu diesem Zweck ein Bi©g@el©a©n1 vorgesehen sein, falls beispielsweise die Platte 1 freischwebend an der Platte 2 befestigt ist. Ein solches Biegeelement ist z.B. in Fig. 7 der US-PS 4 060 314 gezeigt»

Di© Stange 30 wird unter einer groß©a_s konstruktiv©!! B©la~ stung betätigt. Diese Belastung führt zu hohen Spannungen· an den Kontaktflächen und in den Kugeln. Di© kombinierten

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Deformierungen sowohl der Kugeln 35 als auch der Kontaktflächen 17' und 31 betragen das Vielfache (das 100- bis 100Ofache) der geforderten Präzision der Spiegeleinstellung (in der Größenordnung von 1 χ 10 Zoll). Da diese Deformation und Biegungen ferner das Vielfache der Ungenauigkeiten der bearbeiteten Flächen ausmachen, z.B. der Kugelflächen oder der Fläche der kontinuierlichen Bahn 17', kommt man zu einer außerordentlichen Präzision, und zwar insbesondere im Vergleich zu den üblichen Einrichtungen mit einem direkten Gewindeeingriff zwischen Mutter und Schraube.

Bs muß ferner bemerkt werden, daß die Kugelgelenkanordnung 12/13 nur benötigt wird, wenn die Stange relativ zur Platte 1 seitliche Kippbewegungen ausführen muß. Anderenfalls kann die Hülse 11 und die Mutter 17 direkt an der Platte 1 befestigt werden, so daß die übrigen Befestigungsmittel in diesem Falle entfallen können.

Die hintere Anordnung 20 für die Platte 2 befaßt ebenfalls eine Hülse 21, welche in einem Kugelelement 22 gehalten ist. Letzteres befindet sich in einer Fassung 23 mit einer Kugelfläche. Hierdurch wird ein zweites Kugelgelenk gebildet. Eine Mutter 24 drückt das Kugelelement 22 in axialer Richtung gegen die Hülse. Eine Zwischenlegscheibe ist in diesem Falle jedoch nicht vorgesehen. Somit wird das Kugelelement 22 nicht direkt an einer Drehung um die Achse 3 gehindert. Falls eine seitliche Schwenkbewegung der Stange nicht vorgesehen ist, kann das Kugelgelenk 22/23 durch ein normales Lager ersetzt werden, welches lediglich eine Drehung der Hülse 21 um eine zur Platte 2 normale Achse gestattet.

Eine zweite oder hintere "Kugelmutter" 27 hat grundsätzlich den gleichen Aufbau wie die Mutter 17. Es sind wiederum

Kugelelemente 35 in einer gewindeartigen Lagerbahn sowie in dem Schraubengewinde 32 untergebracht. Die Kugeln werden durch die gleiche Kraft unter Druck gesetzt, welche auch die Kugeln 35 in der Nut 17 unter Druck setzt. Die Differentialbewegung kommt zustande durch eine Steigungswinkel-= differenz hinsichtlich des Gewindeeingriffs und der Kopplung zwischen den Muttern 17 und 27 einerseits und den Gewindeabschnitten 31 und 32 der Stange 30 andererseits. Die Mutter 27 wird nicht an einer Drehung gehindert. Sie unterseil®!= det sich in dieser Hinsicht von der Mutter 17» welche die Scheibe 15 an der Drehung gehindert wird. Die durch Einrichtung 4 auf die Platten 1 und 2 ausgeübte Kraft, die Kugeln unter Druck setzt, wirkt in axialer Richtung die Mutter 27 ein und hält diese in einem gewissen Maß© drehfest, wenn die Stange 30 gedreht wird. Diese welche durch die Reibung im Kugelgelenk 22, 23 verstärkt wird, kann Jedoch, wie nachstehend beschrieben, überwand©: werden.

Ein Stift 25 erstreckt sich vom Mutterelement 27 is axial Richtung. Der Stift 25 kann an einem Stift 34 angr©i£©a_? welcher sich radial von der Stange 30 erstreckt. Somit die Stange 30 relativ zur Mutter 27 um fast eine Umdrehmg gedreht werden, genauer gesprochen um eine Umdrehung der Winkelbreite des Stiftes 25· Bei weiterer Drehung Stange 30 greifen die Stifte 25 und 34 aneinander an wirken als Kupplung. Somit folgen di© Mutter 27 und das Kugelelement 22 der Drehung. Sobald die Mutter 27 auf Weise zwangsmäßig der Drehung der Stange 30 folgt, kann di Stange 30 sich nicht in axialer Richtung relativ zur Plat= te 2 bewegen. Andererseits bewegt sich die Stange 30 in axialer Richtung relativ zur Platt© 1, da sie in Gawind©·=· beziehung zur Mutter 17 steht und relativ zur Mutter 17g© dreht wird. Somit kommt es zu einer Bewegung der Platt© 1 relativ zur Platte 2 mit einer Geschwindigkeit, welche di=

rekt abhängt von dem Steigungswinkel des Gewindes 31· Die Mutter 27 nimmt an dieser Bewegung nicht teil.

Die Verschiebung der Platten bei stationärer Mutter wird als "Direktbetrieb" bezeichnet, da die Gewindesteigung direkt wirkt. Wenn andererseits die Stange 30 sich ferner auch in der und relativ zu der Mutter 27 bewegen kann, so hängt die axiale Verschiebung der Platten 1 und 2 relativ zueinander ab von der Differenz der Steigungswinkel, und diese Bewegung wird als "Differentialbetrieb" bezeichnet. Der Bereich des Differentialbetriebs ist auf nahezu eine Drehung der Stange 30 beschränkt. Dieser relativ enge Bereich ist jedoch häufig völlig ausreichend. Der Bereich des Differentialbetriebs kann nach Wunsch geändert werden, indem man lediglich die Stifte anders positioniert.

Bei Betriebsbeginn befindet sich die Ausgangsposition der Stange 30 mit höherer Wahrscheinlichkeit nicht an der Stelle, an der die beiden Stifte 25 und 34- aneinander angreifen. Somit beginnt jede Bewegung mit dem Differentialbetrieb. Dieser Teil kann bereits als Bewegungsabschnitt des Feineinstellbereichs der erforderlichen Einstellung berechnet und betrachtet werden. Sobald die Stifte 25 und 34 aneinander anstoßen, wird dieser erste Abschnitt der Differentialbewegung beendet, und die Platten 1 und 2 werden im direkten Steigungsbetrieb bis zu einer gewünschten Position auseinanderbewegt. Wenn man annimmt, daß der Steigungswinkel des Gewindebereichs 31 kleiner ist als der Steigungswinkel des Gewindebereichs 32, so muß die Position, in der der direkte Steigungsbetrieb oder der Grobeinstellbetrieb endet, unter Berücksichtigung der Schraubendrehung und der Differentialsteigung um weniger als eine Drehung über die gewünschte Endposition hinausschießen. Sodann wird die Stange 30 geringfügig rückwärts gedreht, um die endgültige Position einzustellen, nun jedoch mit hoher Präzision im Differential-

betrieb. Di© Stifte entfernen sich dab©i voneinander und dl© Mutter 27 kommt aufgrund der Reibung im Kugelgelenk 22 _s 23 zum Stillstand, Die Stang© 30 wird jedoch gedreht, so da0 die Vorrichtung im Differ@ntialb©tri©b arbeitete Alternativ kann die Steigung der Hellxkugelbahn 31 größer sein als die Steigung der Helixkugelbahn 32. In diesen Fall wird di© direkte oder Grobeinstellung vor der gewünschten End~ position terminiert.· Der Motor 41 wird nun im umgekehrten Drehsinn betrieben. Die Richtung der fortgesetzten Relativ= verschiebung zwischen den Platten 1 und 2 ist dennoch di© gleiche wie bei der Grobeinstellung , ©bgl©i©h di© Brehrich·= tung des Motors umgekehrt wurde. Mun jedoch findet die Relativbewegung zwischen, den Platten im

Diese Betätigungseinrichtung stellt ©in© wesentlich® Verbesserung dar, da der maximale Hub in erster Linie allein durch d©a Steigungswinkel und den Bereich der vorderem Mutter 17 bestimmt wird, nicht jedoch durch den Differ©atialb@r@ich_o Da der Steigungswinkel der vorderen Mutt©!¹¹ <äas 10- oder H<shrfache der Differentialvoreilung (St©igimgswiBk©ldiff©= r©a,z) betragen kann» so kann die Länge der für ©inen bestimmten Hub erforderlichen Schraube drastisch v©rring@rt

Eia@ ©rate Anwendimg d©r Erfia&img wird auf d©® G@bi©t d@r Positionierung von Laserspiegeln g@®©h@no Bi@g<§ ©rford©ro, eia® Positionsgenauigkeit im Mikrozoll-B@r@icho In @in©m solchen Falle bildet die Platte 1 di® Halteplatt© für d®n Spiegel und die Platt© 2 ist Teil d©s stationären Halt©= nmgsrahmens. Die Spiegelb®f©@tigimg uad -positionierung kaaa. vorgenommen werden, nie in d©r US=PS 4 060 314 g©g©igt< Mvm. jedoch ersetzen zw@i Vorrichtusig©n gemäß dor Erfindimg f$ ^ (Sl fill ^i ^* "Ί fi 1^1© ^©*§ (Ρ*'ίΤ6ΤΐίΑ*ί™ί^ίΐ'Τΐ %£"ί KflPfSä"! t=D ^ί^ΪΊ) V^iSli Tl^H^^iTicKi^f^HHSii *5" "5 jSpl IITPTI jCS*@/!S> "f VTI IT^¹? Γ^ΊΠΐ-^t

tungen dieses Patents. Di® Einrichtung zur .Festlegung d®s

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Schwenkpunkts für die Kipp- und Schwenkbewegung des Spiegels kann identisch sein mit der in Fig. 6 dieses Patents gezeigten Einrichtung. Dasselbe gilt in bezug auf die Gesamtanordnung und Konstruktion mit der einzigen Ausnahme, daß die Länge der Betätigungsschrauben wesentlich verringert ist oder bei gleicher Länge der Betätigungsschrauben der Einstellbereich wesentlich erhöht ist.

Zum Beispiel kann der erforderliche Kipp- und Schwenkbetrieb eines Laserspiegels bei einer Auflösung von 1 Mikrozoll eine maximale Gesamtverschiebung von etwa +1/4 Zoll betragen. Bei einer Steigungswinkeldifferenz von weniger als 1096 und bei einer Steigung des Vordergewindes von 0,062 Zoll/Auflösungsbetrag müßte eine Schraube, welche ausschließlich im Differentialbetrieb arbeiten kann, eine Länge von 35 Zoll (etwa 90 cm) aufweisen. Die Umhüllung der Stange müßte ähnlich lang sein. Die Verwendung einer derart langen Schraubenspindel und eines ähnlich langen Innengewindes ist äußerst unpraktisch. Sie würde zu einer Erhöhung der Steigungsdifferenz (zwischen dem vorderen und dem hinteren Ende) führen und die einzelnen Bauteile müßten mit äußerst hoher Präzision hergestellt werden. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips erlaubt die Verringerung der Schraubenlänge auf 5 cm. Dabei ist natürlich eine wesentlich bessere Auflösung möglich, da eine solche Schraube leichter hergestellt werden kann. Ferner werden die Kosten erheblich verringert.

Ein weiterer Vorteil muß in der Verringerung der Betätigungszeit gesehen werden. Die Anzahl der Umdrehungen der Spindel für die Erzielung einer gewünschten Verschiebung wird natürlich drastisch herabgesetzt, da im direkten Betrieb die Axialverschiebung pro Umdrehung der Stange oder Spindel z.B. das Zehnfache der Verschiebung im Differentialbetrieb beträgt. Somit wird ein vorbestimmter Hub in wesentlich kürzerer Zeitspanne vollzogen.

Fig« 2 zeigt eine Abwandlung der erfindungsgemäßen Einrichtung, Ein Teilbereich des Gewindegangs 27' in der Mutter 271 ist nicht durch Kugeln besetzt. Vielmehr weist die Mutter einen sich nach innen erstreckenden Stift 26 auf, welcher mit einem weiteren Stift 36 auf der Schraubstspindel 30 zusammenwirkt. Ferner ist der Stift 25 * relativ kurz, so daß nach einer Umdrehung der Spindel oder Stang© 30 aus einer Position des Angriffs des Stiftes 25' am Stift 34 der Stift 34 sich so weit vom Stift 25' wegbev/egt, daß er an diesen nicht mehr angreift. Somit liegt ©in© Kupplung zwischen der Stange 30 und der Mutter 271 vermittels dieser Stifte 25* und 34 wirksam nur in einer Richtung vorο Was die entgegengesetzte Richtung anbelangt„ so gelangen die Stifte 26 und 36 nach mehr als einer Umdrehuag der Stange 30, gerechnet von der Position des Angriffs d<ss Stiftes 25 am Stift 34, in Angrif aneinander. Somit kam die Stange 30 relativ zur Mutter 271 um mehr als ©ine Umdrehung gedreht werden, und zwar je nach dem axialtn Ab= stand und dem Relativwinkelabstand zwischen den Stift= paaren. Hierdurch kann der Differentialbereich w©s©ntlich vtrgrößert werden.

Fig* 3 zeigt eine weitere Abwandlung der erfindungsgemäßen Einrichtung hinsichtlich des Kugelgelenks. Man kann das in Figo 3 gezeigte Kugelgelenk 12«, 13' bzw. 22^!, 23' anstelle der in Fig. 1 gezeigten einfachen Kugelgelenke einsetzen„ Das in Fig. 3 gezeigte Kugelgelenk führt zu einer Verging©=· rung d©r Reibung bei einer Verschwenkung in der Papier·= ebene» Bei der Anwendung solcher Lager mit sehr geringer Reibung kann ihr© Restreibung zu gering sein. Theoretisch erfordern große Lager ein höheres Drehmoment als kleiner© Lager» Es kann daher erwünscht s©in_p ©in© Reibungsvörrich=· tung vorzusehen od@r ©in© lösbar© Präzisionsbremseiarich·= tungj, um die Muttern an einer Drehung um die Achs© 3 zu hindern. Dies gilt insbesondere, wenn die Mutter 27 von

der Stange entkoppelt wird. Die Stangendrehung muß jedoch eine etwa vorhandene, derartige Bremskraft leicht überwinden können, wenn die Stifte einander angreifen. Weitere Verbesserungen betreffen eine elektrisch betätigbare Verriegelung vom Spann-Typ, um die Betätigungseinrichtung unter Bedingungen drastischer Vibration zu sichern.

Die Erfindung kann auch auf Gebieten angewendet werden, bei denen nur lineare Verschiebungen erforderlich sind. In diesem Falle kann man die Mutter 17 und die Führungshülse 11 an der Platte 1 oder dergl. befestigen, während man in der Platte 2 ein zylindrisches Lager, ein Kugellager zusammen mit der Hülse 21 und der Mutter 27 vorsieht.

Claims

Patentansprüche

1J Differentialbetätigungseinriehtung für die Präzisionsjustierung des Abstandes einer ersten Platte und.einer zweiten Platte unter Verwendung einer Schraub© mit einer ersten Gewindeeinrichtung in der ersten Platt© und mit einer zweiten Gewindeeinrichtung mit unterschiedlichem Steigungswinkel, wobei die Schraube in Gewindeeingriff mit der ersten Gewindeeinrichtung und der zweiten Gewindeein= richtung steht, gekennzeichnet durch eine erst© Einrichtlang zur Verhinderung der Drehung der ersten Gewindeeimdchtung während der Drehung und Hindurchbewegung der Schraub© °, und eine zweite Einrichtung, welche eine Drehung dar stielten Gewindeeinrichtung Über nur einen bestimmten Bereich verhindert, während sie eine Drehung der zweiten Gewindeeinrichtung gemeinsam mit der Schraube in einem benachbarten Bereich der Drehbewegung der Schraube erlaubt, so daß der Abstand durch direkte Schraubenwirkung der Schraub© in der ersten Gewindeeinrichtung einer Grobjustierung unterliegt und andererseits durch Differential-Schraubenwirkung einer Feinjustierung, wenn die Rotation der zwit@n G@winde©in~ richtung verhindert wird.
2. Differentialbetätigungseinrichtung für ©in© Präzisionseinstellung des Abstandes zwischen einer ersten und einer zweiten Platte unter Verwendung einer Schraub©, welche in Gewindeverbindung mit einer ersten Gewindeeinrichtung in der ersten Platte steht sowie mit einer zweiten Gewinde= einrichtung, deren Steigungswinkel von dem Steigungswinkel der ersten Gewindeeinrichtung verschieden ist, gek@nnz@ich= net durch eine erste Einrichtung zur Verhinderung einer Drehung der ersten Gewindeeinrichtung während der Drehung und Hindurchbewegung der Schraube; und ©in© zweit© Einrichtung zur Kupplung der Schraube mit der zweiten Gewindeeinrichtung im Sinne einer gemeinsamen Rotation über einen

bestimmten Bereich der Winkelbewegung der Schraube, wobei die Schraube von der zweiten Gewindeeinrichtung in einen benachbarten Bereich entkoppelt wird, dergestalt, daß der Abstand durch die direkte Schraubenwirkung der Schraube in der ersten Gewindeeinrichtung einer Grobeinstellung unterliegt und andererseits durch die Differential-Schraubenwirkung bei verhinderter Drehung der zweiten Gewindeeinrichtung einer Feinjustierung.
3. Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Gewindeeinrichtungen mit der Schraube über druckbeaufschlagte Kugeln zusammenwirkt.
4. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung einen Stift an der zweiten Gewindeeinrichtung umfaßt sowie einen Stift an der Schraube, wobei die beiden Stifte im Falle der Differential-Schraubenwirkung voneinander gelöst sind und im Falle der Kupplung aneinander angreifen.
5. Kugel-Schrauben-Betätigungseinrichtung mit einem Mutterelement mit einer Innenhelixbahn; und einem Schraubenelement, welches sich durch das. Mutterelement erstreckt, wobei druckbeaufschlagte Kugeln in dem Gewinde des Schraubenelements und in der Helixbahn des Mutterelements angeordnet sind und eine Schraubenbewegung des Schraubenelements durch das Mutterelement vermitteln und der Aufrechterhaltung der Relativposition der Elemente dienen, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Koppeln des Mutterelements mit dem Schraubenelement über einen bestimmten Drehbereich des Schraubenelements sowie zum Entkoppeln des Schraubenelements und Mutterelements voneinander in einem benachbarten Drehbereich zur Herbeiführung einer axialen

Vorwärtsbewegung des Schraubenelements durch das Mutter=- element.
6. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, welche das Mutterelement durch Reibung in Position hält, wenn das Mutterelement von der Schraube entkoppelt ist.
7. Differential-Kugelschraubenbetätigungseinrichtung zur Präzisionseinstellung des Abstandes und der relativen Schwenkposition zwischen einer ersten Platte und einer zweiten Platte, gekennzeichnet durch

ein erstes Lagerelement in einer ersten Platte, welches eine Schwenkbewegung des zweiten Elements erlaubt, das eine Bohrung aufweist, die mit der Bohrung im ersten Element fluchtet;

ein zweites Lagerelement in der zweiten Platt©, das eine Drehung und Schwenkbewegung erlaubt, wobei das zweite Element eine Bohrung aufweist, die mit der Bohrung im ersten Element fluchtet;

eine erste und zweite Mutter, welche Jeweils im ersten bzw. zweiten Lagerelement gehalten sind und unterschiedliche Steigungswinkel aufweisen;

eine Schraube mit unterschiedlichem Steigungswinkeln in unterschiedlichen Schraubenbereichen, wobei sich die Schraube durch die Muttern erstreckt und mit diesen durch druckbeaufschlagte Kugeln gekoppelt ist; und

eine Kupplungseinrichtung zum Kuppeln der zweiten Mutter mit der Schraube über einen bestimmten Bereich der Drehbewegung der Schraube, so daß bei einer Drehung der Schraube nur ein Gewindeeingriff mit der ersten Mutter vorliegt und eine Grobeinstellung des Abstandes bzw. der Schwenkposition zwischen den Platten erreicht wird? während bei Entkoppelung die Schraube sich nun auch durch die nicht=

rotierende zweite Mutter hindurchschraubt und eine weitere Änderung des Abstandes bzw. des Schwenkzustandes nur durch Differentialwirkung zustandekoramt.
8. Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 7t dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungseinrichtung aus Stiften besteht, die sich von der Schraube bzw. vom Mutterelement weg erstrecken und im Falle der Kupplung aneinander angreifen und im Falle der Entkupplung voneinander getrennt sind.
9. Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungseinrichtung zwei Gruppen von Stiften umfaßt zur Ermöglichung der Entkopplung der Schraube von der zweiten Mutter oder dem zweiten Mutterelement während nur einer begrenzten Anzahl von Umdrehungen.