DE19824839C1 - Vorrichtung zur Ausübung und/oder Einstellung einer Kraft auf eine Antriebswelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, die insbesondere bei Werkzeugmaschinen, aber auch anderen Antrieben in den verschiedensten Geräten einsetzbar ist.

Dabei ist zu berücksichtigen, daß insbesondere an Werkzeugmaschinen steigende Anforderungen bezüglich einer weiteren Verkürzung der Bearbeitungszeit, bei zumindest gleichbleibender bzw. ebenfalls verbesser­ ter Fertigungsgenauigkeit gestellt werden.

Insbesondere bei den konventionellen Achsantrieben, z. B. Spindel-Mutter-Systemen wird unabhängig vom ei­ gentlich angetriebenen Element, an der Antriebswelle, die eine Gewindespindel ist, eine axiale Vorspannung zur Wirkung gebracht, um die axiale Steifigkeit zu erhöhen und demzufolge auch eine höhere Konturgenau­ igkeit, durch Erhöhung der ersten Biegeeigenfrequenz höhere Geschwindigkeiten zu erreichen, sowie durch die Verringerung des rotativen Massenträgheitsmomen­ tes auch höhere Beschleunigungen zu ermöglichen.

Wird nun eine solche Antriebswelle mit einer Zugspan­ nung durch auf sie wirkende Zugkräfte beaufschlagt, müssen zu deren Kompensation bei herkömmlichen Maschinen die Druckspannungen bzw. Druckkräfte am eigentlichen Maschinengestell oder Gehäuse aufgenom­ men werden. Wegen der Anforderungen an mögliche An­ ordnungen solcher Antriebswellen von Gewindetrieben, die funktionsbedingt sind, können die Druckspannungen nicht im Schwerpunkt des Flächenträgheitsmomentes des umgebenden Maschinengestells eingebracht werden. Dem­ zufolge resultieren aus diesen Druckspannungen bzw. Druckkräften zusätzliche Biegespannungen, die sich in einer Verbiegung des linearen Führungssystems der Achse der Antriebswelle äußern. Dies führt zu zusätz­ lichen Fehlern der Linearität des Ablaufs entlang der Achse und es können demzufolge Geometriefehler wäh­ rend der Antriebsbewegung nicht vermieden werden.

Hierzu sind Ausführungen über steigende Anforderungen an Vorschubantriebe hinsichtlich Drehzahl und Stei­ figkeit von J. Ebert in "Verbesserte Vorschubantrie­ be"; DE-Z, Der Konstrukteur; 1995, Seiten 12 bis 18 gemacht worden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit vor­ zugeben, mit der solche Geometriefehler auch bei ho­ hen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen vermieden werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal­ tungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich bei Nutzung der in den untergeordneten Ansprü­ chen enthaltenen Merkmale.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es erstmals und günstig möglich, eine axiale Vorspannung zu errei­ chen, ohne daß die bei den bekannten Lösungen auftre­ tenden Nachteile eine negative Wirkung zeigen können.

Erfindungsgemäß wird hierzu mindestens eine Druck­ stange, die parallel zur Antriebswelle angeordnet ist, verwendet. Diese Druckstange(n) ist/sind in Los­ lagern gehalten, so daß im nicht vorgespannten Zustand der Antriebswelle theoretisch ein Verschieben der Druckstange(n) parallel zur Längsachse der An­ triebswelle möglich ist.

An der/den Druckstange(n) sind Hebel oder Traversen so befestigt, daß unter Verwendung eines eine Zug­ kraft auf die Antriebswelle ausübenden Kraft-Aktua­ tors eine Zugkraft auf die Antriebswelle und demzu­ folge die gewünschte axiale Vorspannung erreichend, ausgeübt wird.

Diese Lösung hat gegenüber den bekannten Lösungen, insbesondere den Vorteil, daß eine axiale Vorspannung einer solchen Antriebswelle erreicht werden kann, ohne Rücksicht auf die Geometrie, die Konstruktion des Gestells (Gehäuse), in dem eine solche Antriebs­ anordnung aufgenommen und gehalten ist. Außerdem wir­ ken durch die erzeugte axiale Vorspannung der An­ triebswelle keine zusätzlichen Kräfte und Momente auf das Maschinengestell, so daß dort auch keine entspre­ chenden Verformungen auftreten können.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen näher beschrieben werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung mit einer Druckstange und Hebeln und

Fig. 2 ein zweites Beispiel einer erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung mit zwei parallel zur An­ triebswelle angeordneten Druckstangen.

Bei dem in der Fig. 1 gezeigten ersten Beispiel ei­ ner erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine Antriebs­ welle 1 als Gewindespindel für den Antrieb einer Mut­ ter 13 verwendet. Dabei ist die Antriebswelle 1 über eine Kupplung 3 mit einem Servomotor 4 verbunden. Die Antriebswelle 1 ist in Radial-Axiallagern 2 und 2' gehalten, wobei das Lager 2 ein Festlager und das Lager 2' ein Loslager ist.

Die parallel zur Antriebswelle 1 ausgerichtete und angeordnete Druckstange 7 hat in etwa die gleiche Länge wie die Antriebswelle 1. An ihren äußeren Stirnseiten sind jeweils zwei Hebel 5 und 5' mit den Gelenken 6 und 6' mit der Druckstange 7 verbunden. Jeweils einer der Hebelarme der Hebel 5 und 5' greift an den Außenringen der Lager 2 und 2' an und der je­ weils andere Hebelarm der Hebel 5 und 5' ist mit ei­ ner ebenfalls parallel zur Antriebswelle 1 ausgerich­ teten Zugstange 12, ebenfalls gelenkig verbunden. In die Zugstange 12 ist ein eine Zugkraft bewirkender Aktuator 8 aufgenommen. Bei Aktivierung des Aktuators 8 wird die entsprechende Zugkraft über die Hebel 5 und 5' auch auf die Antriebswelle 1 übertragen und diese auf Zug entsprechend axial vorgespannt.

Dabei können die Hebelarmlängen der Hebel 5 und 5' unter Berücksichtigung der aufzubringenden axialen Vorspannung und den Möglichkeiten, d. h. der mit dem Aktuator 8 aufbringbaren Zugkraft, verschieden ge­ wählt werden, so daß auch eine entsprechende Überset­ zung ausgenutzt und berücksichtigt werden kann.

Bei dem in der Fig. 1 gezeigten Beispiel ist außer­ dem ein an der Druckstange 7 angeordneter Spannungs­ sensor 9 dargestellt. Als Spannungssensor 9 können z. B. herkömmliche Dehnmeßstreifen verwendet werden. Die gemessene Druckspannung im Druckstab 7 kann dazu verwendet werden, daß die auf die Antriebswelle 1 wirkende Zugspannung unabhängig von äußeren Einflüs­ sen, wie z. B. Temperatur und äußeren Kräften, kon­ stant gehalten werden kann. Selbstverständlich kann das mit dem Spannungssensor 9 gemessene Signal auch zur Einstellung der axialen Vorspannung der Antriebs­ welle 1 unter Berücksichtigung anderer Einflußgrößen variabel eingestellt werden, wobei solche Einflußgrö­ ßen beispielsweise die momentan erforderlichen An­ triebsgeschwindigkeiten und Beschleunigungen sein können.

Die Antriebswelle 1 bildet demzufolge gemeinsam mit Druckstab 7 und Hebeln 5, 5' ein geschlossenes Kraft­ system, das keinen Einfluß auf andere Komponenten des Antriebes oder der Maschine hat.

Bei dem in der Fig. 2 gezeigten zweiten Ausführungs­ beispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden zwei parallel und symmetrisch zur Antriebswelle 1 angeordnete und, wie die Druckstange 7 beim Beispiel nach Fig. 1, gelagerte Druckstangen 10 und 10' ver­ wendet. Die beiden Druckstangen 10 und 10' sind an ihren äußeren Enden mit Traversen 11 und 11', starr oder gelenkig, verbunden.

Die an einem äußeren Ende der Antriebswelle 1 ange­ ordnete Traverse 11' ist wieder mit dem Außenring des Lagers 2 verbunden. Die am anderen Ende angeordnete Traverse 11 ist mit einem eine Zugkraft aufbringende Aktuator 8 und dieser wiederum mit dem Außenring des Lagers 2' verbunden. Wird nunmehr der Aktuator 8 ak­ tiviert, wirkt die gewünschte Zugspannung auf die Antriebswelle 1.

Auch bei diesem Beispiel bilden wieder Druckstäbe 10, 10', Traversen 11, 11' und Antriebswelle 1 ein in sich geschlossenes Kraftsystem, wie Antriebswelle 1, Hebel 5, 5', Druckstab 7 und Zugstange 12 beim Bei­ spiel nach Fig. 1.

Im übrigen sind in Fig. 2 die gleichen Bezugszeichen verwendet worden, um die gleichen Komponenten, wie in Fig. 1, zu bezeichnen.

Als Kraft-Aktuatoren können die jeweiligen Möglich­ keiten und erforderlichen Kräfte berücksichtigend, hydraulisch, pneumatisch oder elektromechanisch wir­ kende Aktuatoren verwendet werden.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Ausübung und/oder Einstellung einer Kraft auf eine Antriebswelle, mit der eine axiale Vorspannung der Antriebswelle erreichbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Druckstange (7, 10, 10') parallel zur Antriebswelle (1) in Loslagern ge­ halten, angeordnet ist und an der/den Druckstan­ ge(n) (7, 10, 10') Hebel (5, 5') oder Traversen (11, 11') gelenkig und zusätzlich mit der An­ triebswelle (1) an deren axial äußeren Enden befestigt sind, wobei an den Hebeln (5 und 5') oder zumindest einer der Traversen (11, 11') ein eine Zugkraft auf die Antriebswelle (1) sowie eine Druckkraft auf die Druckstange (7, 10, 10') ausübender Kraft-Aktuator (8) angreift.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hebel (5, 5') im jeweils stirnseitigen Bereich von Druckstange (7) und Antriebswelle (1) befestigt sind und die Hebel (5, 5') über eine Zugstange (12), in der ein eine Zugkraft bewirkender Aktuator (8) inte­ griert ist, an den Hebelarmen, die entgegenge­ setzt zu den Hebelarmen der Hebel (5, 5'), die mit der Antriebswelle (1) verbunden sind, an der Zugstange (12) gelenkig befestigt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hebelarme der Hebel (5, 5') unterschiedliche effektiv wirkende Längen haben.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hebelarme der Hebel (5, 5') an den Außenringen von Lagern (2, 2'), in denen die Antriebswelle (1) gelagert ist, angreifen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Seite der An­ triebswelle (1) mit einer Traverse (11) und dem eine Zugkraft bewirkenden Aktuator (8) und die andere Seite der Antriebswelle (1) mit einer zweiten Traverse (11') verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckstangen (10, 10') symmetrisch zur Antriebswelle (1) an­ geordnet und gelagert sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der/den Druck­ stange(n) (7, 10, 10') jeweils mindestens ein Spannungssensor (9) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (1) eine Gewindespindel einer Spindel eines Spindel-Mutter-Systems ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Aktuaktoren (8) hydraulisch, pneumatisch oder elektromechanisch wirkende Aktuatoren einsetzbar sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannungssenso­ ren (9) Dehnmeßstreifen verwendbar sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (1) starr gelagert ist.