Treibspindel mit Kugelrückführung
Die Erfindun -betrifft eine Treibspindel mit Kugel rückführung, mittels welcher die -Bewegung und die Messung der Bewegung einzelner Bauteile von Bear beitungsmaschinen - insbesondere Werkzeugmaschinen - mit grosser Çenauigkeit und hohem Wirkungsgrad durchgeführt werden kann.
1)--ie von den in der Industrie gebräuchlichen Bearbeitungsmaschinen gewünschte genaue Arbeitslweise bedingt die Verwendung von Antriebselementen, welche die erforderte Bewegung mit der möglichst grössten Genauigkeit - praktisch genommen - ohne Reibung und Zeitverlust durchführt. Aufgaben dieser Art kommen bei Bearbeitungsmaschinen und Messanlagen jeglicher Art vor, doch gewinnen sie ihre grösste Bedeu tnng bei für eine genaue Bearbeitung des Werkstückes bestimmten Werkzeugmasdhinen insbesondere bei solchen mit Programmsteuerung.
Bei den bekannten, für die Durchführung von Vorschub-, Zustell- oder Bewegungsaufgaben bestimmten Anlagen kann eine grosse Genauigkeit mit dicht schliessenden Spindeln und Muttern erzielt werden.
Doch wird bei Steuerkreisen oder Servoantrieben deren Genauigkeit als ungenügend befunden, da zwischen Spindel und Mutter ein Laufsitz verwendet wird und infolgedessen das Längsspiel der beiden eingreifenden Bauteile nicht beseitigt werden kann. Wird zwecks Verbesserung der Genauiglceit das Ausmass dieses Spieles herabgedrückt, so wächst die Reibung bedeutend an, d. h. der Wirkungsgrad wird sich rasch verschlechtern.
Es sind Treibspindeln mit Kugeln oder Rollen bekannt, deren Reibung geringer ist als diejenige der obenerwähnten Anlagen mit Spindeln und Muttern. Bei diesen ist die Reibungskraft unabhängig von der Geschwindigkeit. Auch ist die Reibung in Ruhelage eine äusserst geringe. Trotzdem verbreiteten sich die Treibspindeln mit Kugeln oder Rollen nicht im erwarteten Mass, da die bekannten Lösungen nicht die Erwartungen erfüllt hatten.
In einer bekannten Treibspindel mit Kugeln laufen die Kugeln in den Rillen der mit halbkreisförmigem Gewinde versehenen Spindel, wobei die Kugeln die Kraftübertragung zwischen der mit demselben Gewinde versehenen Mutter und der Spindel verwirklichen.
Nac-h einer vollen Spindeldrehung werden die Kugeln zum Vorderende des Gewindes zurückgeleitet. Die Rückführung wird mit Hilfe einer Rille zustandegebracht. Die Rille wird in der Mutter ausgebildet. In die Mutter wird eine Öffnung geschnitten, in welche ein in die öffnung genau einpassender, und an seiner, der Schraubenspindel zugewandten Seite mit einer Kugelbahn versehener Einsatz eingelötet wird.
Ein Nachteil dieser Ausführung ist, dass die Einsätze dem Körper der Mutter mit grosser Sorgfalt angepasst werden müssen, d. h. sowohl die an der Mutter befindliche Öffnung, als auch der Einsatz mit grosser Genauigkeit bearbeitet werden müssen. Während der Lötung des Einsatzes kann jedoch eine örtliche Erwärmung entstehen, welche die auf ein genaues Mass geschliffene und polierte Kugelbahn stellenweise ausglüht.
Die infolge örtlicher Erwärmung erfolgte örtliche Här teabnahme der Kugelbahn gehärteter Oberfläche verursacht eine Verschuppung der Kugelbahn nach einer verhältnismässig kurzen Betriebsdauer, eine vorzeitige Abnutzung der Kugeln, ein Anwachsen der Reibung kraft und die Betriebsunfähigkeit der Anlage.
In einer Ausführung dieser Art befinden sich die Kugeln in einem vollkommen geschlossenen Kanal, so dass bei einem Kugelbruch oder bei Fehlhaftwerden von Kugeln zu einem Wechsel der Kugeln -zuerst evtl.
das verlötete Band gelöst werden muss. In einer überwältigenden Anzahl von Fällen hat die Lösung des verlöteten Bandes ein vollständiges Zugrundegehen von Mutter und Einsatz, evtl. auch von noch brauchbaren Kugeln zur Folge.
Die Kugeln und die ihnen zugeordneten Kugelbahnen müssen mit einer ausserordentlich grossen Genauigkeit erzeugt werden, da für eine Auswahl wohl kaum eine Möglichkeit besteht. Bei einer Abnutzung muss der fehlhaft gewordene Bestandteil den Abmessungen der übrigbleibenden Bestandteile angepasst werden, was bei weitem keine einfache Aufgabe ist.
All diese Nachteile bringen mit sich, dass eine derartige Anlage übermässig kostspielig ist und bloss auf Kosten eines hohen Ausschussprozentsatzes gefertigt werden kann. Die Anlage wird oft fehlerhaft arbeiten, ihre Lebensdauer ist kurz und wird trotz ausserordentlicher Genauigkeit bei der Bearbeitung nicht mit der gewünschten Sicherheit arbeiten.
Es sind auch mit Kugelverbindung arbeitende Ausführungen solcher Anlagen bekannt, wo die Rückführung der Kugeln mit Hilfe von Röhren vorgenommen wird. Die an beiden Enden gebogenen Röhre werden fast tangential an den Windungen verlaufend oder in irgendeiner anderen Weise an die Mutter gelötet. Ein Nachteil dieser Ausführung ist, dass sich die Röhre ausserhalb der Mutter befinden und demzufolge zu einer Erhöhung der radialen Abmessung der Mutter beitragen. Diese Erhöhung der Abmessung hat eine Erhöhung der Abmessung und des Gewichtes der ganzen Anlage zur Folge. Auch kann bei der Verlötung der Rohre die Mutter selbst ausglühen. Die Rohre müssen biegbar sein, d. h. ihr Werkstoff muss genügend weich sein, was wiederum die Widerstandskraft gegen Brinellierung beeinträchtigt.
Es wird eine den erforderlichen Rückführungen entsprechende Anzahl von Rohren benötigt, d. h. die mit Rohren versehene Mutter bildet einen verwickelten, schwer zugänglichen und somit einen ziemlich kostspieligen Bestandteil.
In einer weiteren bekannten Ausführung wird die Rückführungsbahn oder -kanal der Kugeln in den die Mutter verschliessenden Deckel oder in eine Büchse ausgebildet. Der Deckel oder die Büchse ist gewöhnlich aus einem weichen, einer Abnützung nicht widerstehenden Werkstoff gefertigt. Die Fertigung beansprucht einen übermässigen Arbeitsaufwand, da der in dem Deckel ausgebildete Kanal bei dem Einbau des Deckels mit grosser Genauigkeit an das Gewinde angepasst werden muss.
Es sind auch Ausführungsformen bekannt, wo die Kugelrückleitbahn in die Spindel oder in das Spindelgewinde eingearbeitet wird. Ein Nachteil dieser Lösung ist, dass die Fertigung der Spindel verwickelte Arbeitsgänge erfordert, womit dann der Prozentsatz von Ausschuss und fehlhaften Werkstücken gewaltig ansteigt.
In einigen bekannten Ausführungen werden zwecks Beseitigung des längsgerichteten Spieles an eine Spindel in einem bestimmten Abstand zwei Muttern aufgesetzt, welche dann relativ zueinander vorgespannt werden. Die Vorspannung wird damit erreicht, dass die Muttern gegenseitig geringfügig verdreht werden. Infolge dieser Verdrehung werden die Muttern durch die Kugeln die Windungen der Schraubenspindel eng umfassen, d. h. das Spiel beheben. Die Behebung des Spieles durch Muttern und Änderung deren Winkellage hat jedoch eine elastische Formänderung zur Folge, welche dann infolge der Dauerstandfestigkeit des Werkstoffes oder einer zu starken Krafteinwirkung in eine ständige Formänderung übergehen kann, sodass die Vorsipan- nung unbeständig wird.
Eine nachträgliche Regelung der Vorspannung kann überhaupt nicht, oder bloss auf Kosten einer beträchtlichen Montagearbeit durchgeführt werden. Eine Anderung der Vorspannung, d. h.
ein Anwachsen des Spieles, erfolgt nicht augenblicklich, sondern oft erst nach mehreren tausend Betriebsstunden fortlaufend, d. h. bis eine Änderung der Vorspannung wahrgenommen wird, können bereits mehrere tausend Werkstücke mit der Anlage gefertigt worden sein, deren Massgenauigkeit somit den Erfordernissen nicht entsprechen wird.
Es ist auch eine Anordnung bekannt. bei welcher die Mutter mit einem gezähnten Kranz versehen wird.
Der Kranz greift dann in eine Hülse, bzw. in einen entsprechend gezähnten inneren Kranz des Hauses ein.
Die Anzahl der Zähne dieser Kränze weichen um einen einzigen Zahn voneinander ab, so dass infolgedessen der eine Kranz inbezug auf den anderen um einen äusserst kleinen Winkel verdreht werden kann, was wiederum eine verhältnisgleiche axiale Annäherung oder Entfernung sichert. Ein Nachteil dieser Ausführung ist, dass zwecks Vorspannung für eine besondere Zähnung gesorgt werden muss, also ein Umstand, welcher die Fertigungskosten bedeutend erhöht.
Zweck der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen und damit einem dringenden Bedürfnis der Hersteller und Betriebe nachzukommen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Treibspindel mit Kugelrückführung geringer radialer Abmessung und geringen Gewichtes, möglichst einfacher Bauart zu entwickeln, wo sich eine Verlötung beim Zusammenbau erübrigt. Auch soll die Anlage aus leicht zu bearbeitenden Bestandteilen bestehen. Die ineinandergreifenden Bauteile erfordern keine übermässig genaue Bearbeitung, sie können frei aneinandergepasst werden. Auch können fehlerhaft gewordene Teile ohne Schwierigkeit ausgewechselt werden. Die Muttern können ohne dauernde Formänderung der arbeitsleistenden Teile vorgespannt werden und von aussen zu einem jeden beliebigen Zeitpunkt auf eine einfache Weise geregelt und neu eingestellt werden.
Die erfindungsgemässe Treibspindel mit Kugelrückführung, an deren Spindel Kugeln enthaltende Gewindenuten und voneinander durch einen Abstand getrennte, mit Kugeln aufnehmenden Nuten versehene Muttern angeordnet sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Treibspindel die Muttern durch die in das Gehäuse eingeschraubten Verschlussmuttern vorspannende und an die Spindel gezogene Tellerfedern sowie eine in den Stirnflächen und in den Mantelflächen der Muttern ausgebildete, an den Stirnflächen mit Deckeln, an der Mantelfläche mit einer Deckplatte verdeckte Kugelrückführtbahn besitzt.
Die zu den Stirnflächen der Muttern gekehrten Enden der Deckplatten können zur Spindel gekrümmt sein und die Deckplatten sind vorzugsweise in in die Mantelfläche der Muttern vertieften Nuten angeordnet.
Die Deckplatten können dabei lose anliegen und von der Innenfläche des Gehäuses in ihrer Lage gesichert werden.
Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen
Fig. 1 Längsschnitt einer beispielsweisen Ausführungsform einer Treibspindel mit Kugelrückführung,
Fig. 2 Schnitt II-II nach Fig. 1,
Fig. 3 Schnitt der Mutter, wo auch die in die Mutter gefräste Kugelbahn dargestellt ist,
Fig. 4 Oberansicht der Mutter nach Fig. 2,
Fig. 5 Anordnung der Kugeln in den Windungen.
Auf die Spindel 1 sind die Muttern 2 und 3 durch einen Zwischenraum getrennt aufgezogen. In den zu einander gekehrten Flächen der Spindel 1, sowie der Muttern 2 und 3 sind Gewinde vertieft, in welchen die Kugeln 4 rollen. Eine Verbindung zwischen der Spindel 1 und den Muttern 2, 3 wird durch die Kugeln 4 zustandegebracht. Wird die Spindel 1 in den Muttern 2, 3 gedreht, so rollen in sämtlichen Windungen der Spindel 1 aufeinander folgende Kugelreihen in einem jeden Gewinde der Spindel 1. Die Muttern 2 und 3 sind im Gehäuse 5 eingefasst und werden durch die in die Nute 6 des Gehäuses 5 hineinragenden Keile 7 in unverdrehbarer Lage gehalten.
Die Muttern 2 und 3 werden an beiden Enden durch in der Form von Scheibenringen ausgebildeten Deckeln 8 abgeschlossen. Die Stirnflächen der Muttern sowie die Deckel 8 liegen aneinander an.
An die beiden äusseren Deckel 8 stützen sich die auf die Spindel 1 gezogenen Tellerfedern. Die Tellerfedern 9 werden an den Deckel 8 von den in die beiden Enden des Gehäuses 5 eingeschraubten und in ihrer eingeschraubten Lage von den Schrauben 10 festgehaltenen Verschliessmuttern 11 gedrückt. Der Raum zwischen der Tellerfeder 9, dem Gehäuse 5 und den Ver schlussmuttern 11 wird von den Dichtungsringen 12 ausgefüllt. Über den Verschlussmuttern 11 ist je eine weitere Sicherungsmutter (Vorsatzmutter) 13 in die Spindel 1 eingeschraubt. An der zur Spindel 1 gerichteten Seite der Sicherungsmutter 13 befindet sich eine zur Aufnahme des Dichtungs- und Reinigungsringes 14 geeignete Vertiefung.
In die Stirn- und Seitenfläche der Muttern 2 und 3 ist je eine Kugelrückführbahn 15 vertieft. Diese Kugelbahn wird an den Stirnflächen der Muttern von den Deckeln 8, an der Mantelseite von einer in die in die Seitenfläche der Muttern vertiefte Nute 16 (Fig. 4) gesetzte Deckplatte 17 abgeschlossen. Die unteren und oberen Enden der Deckplatte 17 sind zwecks Führung der Kugeln 4 zur Spindel 1 zu gebogen. Die Deckplatte 17 wird in der Nute 16 durch Schrauben festgehalten. Doch können die Schrauben fortfallen, da die Innenfläche des Gehäuses 5 in montierter Lage die Deckplatte 17 in einer in die Nute 16 gedrückten Lage festhält.
In die Vertiefungen an den beiden Stirnflächen der Muttern 2 und 3 ist je ein Ablenkeinsatz 18 fest eingebaut. Die sich an das in der Spindel 1 befindliche Gewinde anschliessende Fläche 19 des Ablenkeinsatzes 18 ist fast tangential zum Gewinde und als Ausführung der Kugeln 4 aus dem Gewinde, bzw. als Einführung der Kugeln aus der Kugelbahn 15 in das Gewinde aus gebildet.
Beim Zusammenbau des Kugelumlaufgetriebes werden zunächst die beiden inneren Deckel 8, sodann die Muttern 2 und 3 und die äusseren Deckel 8 an die Spindel 1 gezogen. Danach werden die Kugeln 4 durch die Kugelbahn 15 zwischen die Spindel sowie die Muttern 2 und 3 eingefüllt. Nach Einfüllung der Kugeln 4 werden die Deckplatten 17 an die Muttern 2 und 3 gelegt oder aufgeschraubt. Sodann wird die ganze Einheit in das Gehäuse 5 geschoben. Danach werden die Tellerfedern 9 und die Dichtungsringe 12 an die Spindel 1 gezogen. Als nächster Schritt folgt das Aufschrauben der Verschlussmuttern 11 und nach Sicherung dieser Muttern durch die Schrauben 10 werden auch die mit den Dichtungsringen 14 versehenen Sicherungs- und Abdichtungsmuttern 13 aufgeschraubt. Sodann wird das Gehäuse in der entsprechenden Bohrung der Maschine befestigt.
Die Vorspannung der Muttern 2 und 3 wird durch die Verschlussmuttern 11 mit Hilfe der Tellerfedern 9 vorgenommen. In der eingestellten Lage werden die Verschlussmuttern 11 von den Schrauben 10 gesichert.
Nach Abschrauben der Sicherungsmuttern 13 sind die Verschlussmuttern 11 und die Schrauben 10 leicht zugänglich.
Die wichtigsten Vorteile der Treibspindel mit Ku gelrückführungkönnen folgenderweise zusammengefasst werden:
Die die Kugeln 4 führenden Schraubengänge der Muttern 2 und 3 sind nach der Fertigung der Muttern, bzw. während des Zusammenbaues des Getriebes keinen Wärmewirkungen ausgesetzt, so dass Abmessungen und Oberflächenbeschaffenheit unverändert bleiben.
Die Kugelbahn 15 kann in der Stirn- und Mantelfläche der Muttern leicht und zu geringen Kosten ausgebildet werden. Die die Kugelbahn 15 abschliessenden Bauteile sind einfach, billig und leicht fertigbar. Sie können von der Mutter mit einer Handbewegung abgehoben oder abmontiert werden, wodurch die Einfüllung der Kugeln, bzw. ihre Entfernung bei einer Schadhaftwerdung in kurzer Zeit und einfach durchgeführt werden kann. Die Muttern 2 und 3 werden in einfacher Weise, von aussen, in kurzer Zeit vorgespannt und zwar ohne das Getriebe in einem wesentlichen Ausmasse zerlegen zu müssen. Die Vorspannung kann auch in an die Machine montierten Lage abgeändert werden. Das Ausmass der Vorspannung kann auf einen idealen Wert ohne Gefährdung irgendeines Bestandteiles eingestellt werden.
Die Bauteile der beschriebenen Treibspindel erfordern keine übermässigen Fertigungskosten und beanspruchen keine besondere Massgenauigkeit. Die Spindel kann in geringer Zeit zusammengebaut oder zerlegt werden. Trotz der geringen Baukosten und Einfachheit arbeitet die Spindel auch nach langer Betriebszeit mit Sicherheit und ohne Gefahr eines Fehlhaftwerdens.
Die Erfindung ist nicht an die beispielsweise erläuterte Ausführungsform beschränkt. So können z. B. die blattartig geformten Ablenkeinsätze 18 durch in die Mutter eingeschraubte Schrauben oder eingeführte Zapfen ersetzt werden, deren sich mit den Kugeln 4 berührende Ebene gleichfalls tangential zu den Gewinden ausgeführt ist. Zur Sicherung der inneren Deckel 8 kann statt Schrauben auch eine die Deckel auseinander spreizende Vorrichtung verwendet werden. In ihrer eingestellten Lage können die Verschlussmuttern 11 statt mit den Schrauben 10 auch in einer anderen Weise gesichert werden.