DE3814061A1 - Fuehrungsvorrichtung zur fuehrung zusammengesetzter bewegungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Führungsvorrichtung zur Führung zusammengesetzter Bewegungen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art sowie insbesondere auf eine Führungsvorrichtung, die beispielsweise bei einem Arm eines Industrierobotors verwendbar und zur Führung eines Gegenstandes geeignet ist, der eine zusammengesetzte Bewegung ausführt, die aus einer axialen geradlinigen Bewegung und einer Drehbewegung besteht.

Eine bekannte Führungsvorrichtung für eine zusammengesetzte Bewegung weist eine Welle auf, deren Außenumfangsoberfläche mit Kugelschraubennuten und Kugelkeilnuten versehen ist, die auf den gleichen Teil der Welle in überlappender Weise ausgebildet sind, so daß sich ein großer Hub für die zusammengesetzte Bewegung ergibt (JP-OS 62-1 65 057). Diese bekannte Führungsvorrichtung weist eine Mutter, die auf der Welle über Kugeln befestigt ist, die von den Kugelschraubennuten aufgenommen und von diesen geführt werden, sowie eine äußere Keilnuthülse auf, die auf der Welle über Kugeln befestigt ist, die in den Kugelkeilnuten aufgenommen und von diesen geführt werden. Die Mutter und die äußere Keilhülse werden von einem gemeinsamen Gehäuse aufgenommen. Sowohl die Mutter als auch die äußere Keilhülse ist in dem Gehäuse über zwei Traglager befestigt. Damit sind die Mutter und die äußere Keilhülse unabhängig drehbar. Im Betrieb werden die Mutter und die äußere Keilhülse selektiv gedreht, um der Welle eine Axialbewegung, eine Drehung oder eine zusammengesetzte Bewegung zu ermöglichen, die aus einer Axialbewegungskomponente und einer Drehbewegungskomponente zusammengesetzt ist.

Bei dieser bekannten Vorrichtung entstehende Probleme können allgemein in drei Gruppen (A), (B) und (C) unterteilt werden:

(A) Es ergibt sich ein unvermeidbares Spiel oder ein Totgang in der äußeren Keilnuthülse und der Kugelschraubenmutter. Ein derartiges Spiel ruft eine Phasenverzögerung hervor, wenn die Vorrichtung in Betrieb gesetzt wird, und es wird die Präzision der Stopp-Postition beeinträchtigt.

(1) Wenn zunächst auf die äußere Keilnuthülse Bezug genommen wird, so besteht das kritische Spiel in der Drehrichtung, weil die Drehposition durch die äußere Keilnuthülse bestimmt ist, während sich die Kugelschraubenmutter frei drehen kann.

Bei einer Führungsvorrichtung, bei der Kugelschraubennuten und Kugelkeilnuten in überlappender Weise angeordnet sind, muß die Welle einen kreisförmigen Querschnitt haben, um eine Drehung der Kugelschraubenmutter auf dieser Welle über die Kugeln zu ermöglichen, die entlang der Kugelschraubennuten rollen, die in der äußeren Umfangsoberfläche der Welle ausgebildet sind. Andererseits sind die Kugelkeilnuten als radiale Kugelkeilnuten ausgebildet, wie dies in Fig. 14 gezeigt ist. Damit kann die Führungsvorrichtung insgesamt keine starre Halterung gegenüber Lasten ergeben, die in Winkelrichtung wirken, obwohl sie befriedigende radiale Lasttrageigenschaften aufweist. Aus diesem Grund ist es schwierig, jedes Spiel in der Drehrichtung zu beseitigen.

(2) Wenn nunmehr auf die Kugelschraubenmutter Bezug genommen wird, so ist hierbei das Spiel in axialer Richtung besonders kritisch, weil die Kugelschraubenmutter die Position in der Axialrichtung festlegen muß, weil die äußere Keilnuthülse frei in Axialrichtung gleiten kann.

Bei der bekannten Vorrichtung wird ein Kraftmoment von der Welle auf die Kugelschraubenmutter ausgeübt, um die Kugelschraubenmutter zu drehen oder zu verdrehen. Dies erfordert im wesentlichen, daß die Kugelschraubenmutter an ihrem Außenumfang durch ein Lager vom radialen Kontakttyp stabil gehaltert ist. Diese Art von Lager ist jedoch nicht sehr starr gegenüber axialen Lasten, sodaß die Führungsvorrichtung insgesamt ein Spiel oder einen Totgang in Axialrichtung aufweist.

(B) Das zweite Problem besteht in einer Neigung zu einer Abriebkorrosion, die in den Kubelabrolloberflächen aufgrund des Vorhandenseins eines Spiels oder eines Totganges der äußeren Keilhülse und der Kugelschraubenmutter hervorgerufen wird. Der in dieser Beschreibung verwendete Ausdruck "Abriebkorrosion" soll eine Abnutzung von einer oder beiden einander berührenden Oberflächen aufgrund einer wiederholten sehr geringen Relativschiebebewegung zwischen diesen Oberflächen bezeichnen.

(1) Die Abriebkorrosion der Kugelschraubenmutter wird im folgenden so beschrieben, als ob sie auf das Spiel der äußeren Keilnuthülse zurückzuführen ist. Wenn die rotierende Welle abrupt gestoppt wird, so wird die Welle aufgrund ihrer Trägheitskraft in Drehrichtung bewegt, weil die die äußere Keilnuthülse lagernden Kugeln elastisch verformt werden. Wenn die elastisch verformten Kugeln zurückprallen, so wird die Welle in Drehrichtung zurückgedrückt, wodurch eine Schwingung der Welle in Drehrichtung auftritt. Diese Schwingung ruft eine sehr kleine schwingende Schiebebewegung zwischen den Kugeln und den Kugelabrolloberflächen der Kugelschraubenmutter hervor, was zu einer örtlichen Abriebkorrosion der Kugelabrolloberflächen führt. Als Ergebnis werden örtliche, sehr kleine Vertiefungen oder Gruben in diesen Kugelabrolloberflächen ausgebildet, wodurch das gleichförmige Abrollen der Kugeln beeinträchtigt wird.

(2) Eine Abriebkorrosion der äußeren Kugelkeilnuthülse, die auf das axiale Spiel der Kugelschraubenmutter zurückzuführen ist, tritt wie folgt auf:

Wenn die axial laufende Welle abrupt gestoppt wird, so wird die Welle in Axialrichtung aufgrund ihrer Trägheitskraft bewegt, weil die die Kugelschraubenmutter lagernden Kugeln der Traglager elastisch verformt werden. Wenn die elastisch verformten Kugeln zurückprallen, so wird die Welle in Axialrichtung zurückgedrückt, wodurch eine Schwingung der Welle in Axialrichtung auftritt. Diese Schwingung ruft eine sehr kleine Schwingungs-Gleitbewegung zwischen den Kugeln und den Kugelabrolloberflächen der äußeren Keilnuthülse hervor, was zu einer örtlichen Abriebkorrosion der Kugelabrolloberflächen führt.

(C) Das dritte Problem besteht darin, daß eine Neigung zur Beschädigung der die Kugelschraubenmutter lagernden Kugeln aufgrund des Vorhandenseins eines radialen Spiels der äußeren Keilnuthülse besteht.

(1) Wenn die Führungsvorrichtung dieser Art für den Arm eines Industrierobotors verwendet wird, so wird dieser Arm üblicherweise derart an der äußeren Keilnuthülse befestigt, daß die radiale Last von der äußeren Keilnuthülse getragen wird.

Wenn eine sehr starke seitliche Belastung auf das Ende der Welle ausgeübt wird, wenn diese sich im ausgefahrenen Zustand befindet, so wird eine übermäßig große Last auf die äußere Keilnuthülse übertragen, was zu einem radialen Rattern der äußeren Keilnuthülse führt. Dieses radiale Rattern der äußeren Keilnuthülse bewirkt eine Schwingung der Welle derart, daß ein Verdrehen oder Verkeilen der Kugelschraubenmutter hervorgerufen wird, die in das gleiche Gehäuse eingesetzt ist. Als Folge hiervon werden Kugeln in den beiden axialen Enden der Kugelmutter bei der elastischen Verformung überlastet, sodaß eine Schwingung auftreten kann und ein gleichförmiger Umlauf der Kugeln beeinträchtigt wird. Im schlimmsten Fall werden die Kugeln schwerwiegend beschädigt.

(2) Wenn ein Spiel oder ein Totgang der äußeren Keilnuthülse vorhanden ist, so schwingt die Welle in sehr geringem Ausmaß, wenn die Maschine, beispielsweise ein Roboter, abrupt gestoppt wird, mit dem Ergebnis, daß eine Abriebkorrosion in den Kugelabrolloberflächen der Kugelschraubenmutter hervorgerufen wird.

(3) Es ist weiterhin verständlich, daß irgendein radiales Spiel der äußeren Keilnuthülse am freien Ende der Welle verstärkt wird, was zu einer Verschlechterung der Präzision führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Führungsvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die vorstehend beschriebenen Probleme dadurch beseitigt sind, daß jedes Spiel in Axialrichtung und Drehrichtung beseitigt ist, wodurch das Ansprechverhalten und die Einstellpositionsgenauigkeit vergrößert wird.

Gleichzeitig soll eine gleichförmige Betriebsweise dieser Führungsvorrichtung durch die Beseitigung einer Abriebkorrosion auf der Mutter und der äußeren Keilnuthülse erreicht werden, die auf das Spiel der äußeren Keilnuthülse in Drehrichtung und auf das Spiel der Mutter in Axialrichtung zurückzuführen ist.

Weiterhin soll hierbei eine gleichförmige Betriebsweise der Führungsvorrichtng dadurch sichergestellt werden, daß das Auftreten einer Abriebkorrosion auf der Mutter durch Beseitigung einer Überlastung der Kugeln der Mutter verhindert wird, indem ein radiales Spiel der Traglager der äußeren Keilnuthülse beseitigt wird, sodaß eine radiale Schwingung verhindert wird.

Auf diese Weise soll die Lasttragfähigkeit der Führungsvorrichtung sowohl in Axialrichtung als auch in Radialrichtung sowie die Widerstandsfähigkeit gegen Kraftmomente dadurch vergrößert werden, daß die Steifigkeit der Traglager vergrößert wird, die die Kugelmutter und die äußere Keilnuthülse lagern.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Führungsvorrichtung für eine zusammengesetzte Bewegung weist eine einzige Welle auf, auf deren Außenumfangsoberfläche Kugelschraubennuten und Kugelkeilnuten in überlappender Weise ausgebildet sind. Eine Mutter ist auf der Welle über eine Anzahl von Kugeln gelagert, und zwar ebenso, wie eine äußere Keilnuthülse auf der Welle über eine Vielzahl von Kugeln gelagert ist. Weiterhin ist ein Gehäuse vorgesehen, in dem die Kugelmutter und die äußere Keilnuthülse drehbar über jeweilige Paare von Traglagern gelagert sind. Die Mutter und die äußere Keilnuthülse werden unabhängig über Kraftübertragungselemente angetrieben. Die Kugeln zwischen der Mutter und der Welle sind in Axialrichtung der Welle vorgespannt, wobei in dieser Richtung auch die Kugeln der Traglager vorgespannt sind, die die Kugelmutter lagern. Weiterhin sind auch die Kugeln zwischen der äußeren Keilnuthülse und der Welle in Richtungen vorgespannt, die der Drehrichtung angenähert sind.

Das die äußere Keilnuthülse lagernde Traglager kann eine Konstruktion vom Winkeltyp aufweisen, wobei seine Kugeln in geeigneter Weise vorgespannt oder vorbelastet sind.

Die die Mutter und die äußere Keilnuthülse lagernden Traglager können mit Hilfe von Kugeln gebildet sein, die auf den Oberflächen der Mutter und der äußeren Keilnuthülse abrollen, die dann als innere Laufbahnen dienen, während äußere Laufbahnen in dem Gehäuse befestigt sind.

Bei der erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung sind die Kugeln zwischen der Welle und der Kugelmutter in geeigneter Weise vorgespannt oder vorbelastet. Zusätzlich sind die Traglager vom Winkelkontakt-Typ, wobei die Kugeln in geeigneter Weise vorbelastet sind. Die Führungsvorrichtung weist daher eine verbesserte Steifigkeit in Axialrichtung auf, sodaß irgendein Spiel in Axialrichtung vollständig beseitigt werden kann. Die sehr kleinen axialen Schwingungsbewegungen der Welle bezüglich des Gehäuses, die bei der bekannten Führungsvorrichtung in unvermeidbarer Weise hervorgerufen wurden wenn die Welle abrupt gestoppt wurde, treten nicht auf, sodaß eine Abriebkorrosion auf der äußeren Keilnuthülse beseitigt wird.

Die Kugeln zwischen der äußeren Keilnuthülse und der Welle sind ebenfalls vorgespannt, und zwar in Drehrichtung, sodaß die Führungsvorrichtung eine hohe Steifigkeit in Drehrichtung aufweist, wodurch vollständig jedes Spiel in der Drehrichtung beseitigt wird. Als Folge hiervon wird eine Abriebkorrosion der Mutter, die auf das Spiel der Welle in Drehrichtung zurückzuführen ist, vermieden.

Vorausgesetzt, daß das Traglager für die Lagerung der äußeren Keilnuthülse als Lager vom Winkelkontakttyp mit vorbelasteten Kugeln aufgebaut ist, wird auch eine hohe Steifigkeit in Radialrichtung erzielt, wodurch jedes Spiel der äußeren Keilnuthülse in Radialrichtung vollständig beseitigt werden kann. Es ist daher möglich, das Kraftmoment vollständig zu beseitigen, das ein Verdrehen der Kugelmutter bewirkt und durch Schwingungen der Welle hervorgerufen wird, sodaß eine Überlastung der Kugeln zwischen der Kugelmutter und der Welle verhindert wird. Eine Abriebkorrosion auf der Kugelmutter aufgrund eines radialen Spiels der äußeren Keilnuthülse kann ebenfalls vermieden werden. Es ist weiterhin verständlich, daß die Führungsvorrichtung eine verringerte Größe aufweisen kann, wenn die Kugelmutter und die äußere Keilnuthülse als innere Laufbahn des Traglagers verwendet werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer Ausführungsform der Führungsvorrichtung für eine zusammengesetzte Bewegung,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Vorderansicht der Ausführungsform der Führungsvorrichtung,

Fig. 3 eine Schnittansicht einer Kugelmutter der Führungsvorrichtung nach Fig. 1, die den Berührungszustand der Kugeln in der Mutter zeigt,

Fig. 4 eine Schnittansicht der äußeren Keilnuthülse der Führungsvorrichtung nach Fig. 1, die den Berührungszustand der Kugeln in der äußeren Keilnuthülse zeigt,

Fig. 5A eine Vorderansicht der Welle der Ausführungsform nach Fig. 1,

Fig. 5B eine Schnittansicht entlang der Linie V-V nach Fig. 5A,

Fig. 6A eine Vorderansicht eines Mutterbauteils der Kugelmutter der Führungsvorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 6B eine Schnittansicht entlang der Linie VI-VI nach Fig. 6A,

Fig. 6C eine linke Seitenansicht der Fig. 6A,

Fig. 6D eine rechte Seitenansicht der Fig. 6A,

Fig. 7A eine Vorderansicht einer Endkappe der Kugelmutter,

Fig. 7B eine vertikale Schnittansicht entlang der Fig. 7A,

Fig. 7C eine Rückansicht der Endkappe nach Fig. 7A,

Fig. 7D eine Schnittansicht entlang der Linie VII-VII nach Fig. 7A,

Fig. 8A eine Schnittansicht der äußeren Keilnuthülse der Ausführungsform der Führungsvorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 8B eine Seitenansicht der äußeren Keilnuthülse nach Fig. 8A,

Fig. 9A eine Vorderansicht eines in der äußeren Keilnuthülse nach den Fig. 8A und 8B befestigten Halteteils,

Fig. 9B eine Schnittansicht der Linie IX-IX nach Fig. 9A,

Fig. 10A eine vertikale Schnittansicht einer Endkappe, die an jedem Ende des Halteteils nach Fig. 9A und 9B befestigt ist,

Fig. 10B eine Vorderansicht der Endkappe nach Fig. 10A,

Fig. 11 eine Ansicht des Zusammenbaus des Halteteils und der Endkappen,

Fig. 12A eine vertikale Schnittansicht durch eine äußere Laufbahn des Traglagers nach Fig. 1,

Fig. 12B eine Vorderansicht der äußeren Laufbahn nach Fig. 12A,

Fig. 13A eine vertikale Schnittansicht der äußeren Laufbahn eines anderen Traglagers,

Fig. 13B eine Vorderansicht der äußeren Laufbahn nach Fig. 13B,

Fig. 14 eine vertikale Schnittansicht einer üblichen Kugelkeilnut-Kugelmuttervorrichtung vom Radialtyp.

In den Fig. 1-13 ist eine Ausführungsform der Führungsvorrichtung zur Führung eines Gegenstandes gezeigt, der eine zusammengesetzte Bewegung ausführt.

Die Führungsvorrichtung (1) umfaßt allgemein eine Führungseinheit (5) für eine zusammmengesetzte Bewegung, wobei diese Führungseinheit (5) eine Welle (2), eine Kugelschraubenmutter (3) und eine äußere Kugelkeilnuthülse (4) einschließt, die auf der Welle (2) befestigt sind. Ein Gehäuse (10) lagert die Kugelmutter (3) und die äußere Keilnuthülse (4) über Paare von Traglagern (6, 7) bzw. (8, 9). Riemenscheiben (11, 12) dienen als Kraftübertragungselemente zum Antrieb der Kugelmutter (3) und der äußeren Keilnuthülse (4). Wie aus einer Betrachtung der Führungseinheit (5) für die zusammengesetzte Bewegung zu erkennen ist, weist die Welle (2) ein einziges Wellenbauteil (21) auf, in deren Außenumfangsoberfläche schraubenlinienförmige Kugelschraubennuten (22) und eine Vielzahl von Kugelkeilnuten (23) ausgebildet sind, die sich in Axialrichtung derart erstrecken, daß sich die Nuten (22) und (23) kreuzen und einander überlappen, wie dies am besten aus den Fig. 5A und 5B zu erkennen ist. Das Wellenbauteil (21) ist eine hohle Stange mit kreisförmigem Profil, sodaß ihr Gewicht und damit der Einfluß der Trägheit zu den Zeiten verringert ist, zu denen die Welle gestartet und gestoppt wird, obwohl das Wellenbauteil (21) auch eine massive Stange mit kreisförmigem Querschnitt sein kann. Bei der beschriebenen Ausführungsform sind die Kugelschraubennuten (22) in Form eines Doppelschraubengewindes mit vergleichsweise großer Steigung ausgebildet, wodurch die Lasttragkapazität vergrößert wird, während eine hohe Vorschubgeschwindigkeit erzielt wird. Bei dieser Ausführungsform weist die Kugelnut (23) bei Betrachtung im Querschnitt die Form eines gotischen Bogens auf. Die Kugelkeilnut (23) ist mehrfach vorgesehen. Damit ist eine Vielzahl von Kugelkeilnuten (23), nämlich 6 Nuten bei der dargestellten Ausführungsform, in Umfangsrichtung der Welle (2) angeordnet. Genauer gesagt sind diese Kugelkeilnuten (23) in drei Paaren vorgesehen, wobei die Nuten (23) jedes Paares symmetrisch bezüglich dreier gedachter radialer Linien L 1, L 2 und L 3 angeordnet sind, die von dem Mittelpunkt (O) der Welle radial ausgehen, sodaß der Querschnitt der Welle in drei Sektorbereiche mit gleicher Fläche unterteilt ist. Jede Kugelkeilnut (23) weist eine kreisförmige Bogenform mit einem gekrümmtem Querschnitt auf.

Die Mutter (3) der Führungsvorrichtung ist eine im wesentlichen zylindrische Einheit, die hauptsächlich aus einem Mutterbauteil (31) und Endkappen (32, 32) besteht, die an den beiden axialen Enden des Mutterbauteils befestigt sind. Das Mutterbauteil (31) weist an ihrer Innenumfangsoberfläche ein Paar von Kugelschraubennuten (33) auf, die den Kugelschraubennuten auf der Welle entsprechen. Das Mutterbauteil (31) ist mit Kugelumlaufbohrungen (34, 34) versehen, durch die eine Vielzahl von Kugeln (B 1), über die das Kugelmutterbauteil (31) auf der Welle (2) gelagert ist, umlaufen. Jede Endkappe (32) ist mit Kugelumlenknuten (35) versehen, die dazu dienen, die Richtung der Kugeln (B 1) von den Kanälen, die zwischen der Kugelschraubennut (23, 33) der Welle (2) und der Kugelmutter (3) gebildet sind, in die Kugelumlaufnuten (34, 34) umzulenken, und umgekehrt. Auf diese Weise werden zwei Kugelumlaufkanäle durch die zwischen der Kugelschraubennut (22, 33) der Welle (2) und der Mutter (3) gebildeten Kanäle, die Kugelumlenknuten (35,35) und die Kugelumlaufbohrungen (34, 34) gebildet. Eine Vielzahl von Kugeln in Form einer endlosen Folge läuft durch den jeweiligen Kugelumlaufkanal um.

Die zwischen der Mutter (3) und der Welle (2) angeordneten Kugeln (B 1) sind in Axialrichtung vorbelastet. Obwohl die Vorbelastung oder Vorspannung auf verschiedene Weise erzielt werden kann, wird bei der beschriebenen Ausführungsform eine derartige Vorspannmaßnahme getroffen, daß, wie dies schematisch in Fig. 3 gezeigt ist, die Steigung der Schraubennuten (33) in der Mutter sowie die Steigung der Nuten auf der Welle (2) in Axialrichtung geringfügig geändert werden. Wie dies insbesonders aus Fig. 3 zu erkennen ist, sind die Steigungen (P 1, P 2) (P 1 kann gleich P 2 sein), der Nuten (33, 33) in dem axial in der Mitte liegenden Teil der Nut größer als die Steigungen (P 3, P 4) (P 3 kann gleich P 4 sein) der gleichen Nuten an den äußeren axialen Teilen, sodaß die folgenden Bedingungen erfüllt sind:

P 1, P 2=P 3+α und P 1, P 2=P 4+α.

Als Folge hiervon werden die belasteten Kugeln (B 11) auf der linken Seite des axial in der Mitte liegenden Teils der Mutter (3) nach links gedrückt, während die belasteten Kugeln (B 12) auf der rechten Seite hiervon nach rechts gedrückt werden, wodurch diese Kugeln in Axialrichtung vorgespannt werden. Alternativ kann die Anordnung derart sein, daß die Steigungen (P 1, P 2) so ausgewählt sind, daß sie kleiner als die Steigungen (P 3, P 4) sind, sodaß die Bedingungen P 1, P 2=P 3-α und P 1, P 2=P 4-α erfüllt sind, wodurch die linken belasteten Kugeln B 11 und die rechten belasteten Kugeln (B 12) in Axialrichtung nach innen vorbelastet werden.

Die Vorbelastung oder Vorspannung kann auch durch andere geeignete Verfahren erreicht werden, wie zum Beispiel durch die Verwendung einer Doppelmutter-Konstruktion, bei der ein zwischen zwei Mutterhälften angeordnetes Abstandstück verwendet wird.

Die äußere Keilnuthülse (4) weist ein zylindrisches Bauteil auf, dessen Innenumfangsoberfläche (6) axiale Kugelabrollnuten (41) aufweist, die den Kugelkeilnuten (23) auf der äußeren Umfangsoberfläche der Welle (2) entsprechen. Eine Vielzahl von Kugeln (B 2) ist zwischen den Kugelabrollnuten (41) der Hülse (4) und den Kugelkeilnuten (23) auf der Welle (2) angeordnet. Ein Kugelhalteteil (42) zur Führung und zum Festhalten der Kugeln (B 2) wird von der Bohrung der äußeren Keilnuthülse (4) aufgenommen. Die Kugeln (B 2) sind in einer der Drehrichtung angenäherten Richtung vorgespannt oder vorbelastet. Im einzelnen bedeutet dies, daß die äußere Keilnuthülse (4) auf ihrer Innenoberfläche mit drei sich in Axialrichtung erstreckenden, radial nach innen gerichteten Vorsprüngen (43) versehen ist, die in Umfangsrichtung gleichförmig verteilt sind. Ein Paar der Kugelabrollnuten (41), die den Kugelkeilnuten (23) entsprechen, ist in jeder dieser sich in Axialrichtung erstreckenden Vorsprünge ausgebildet. Der Vorspann- oder Vorbelastungsmechanismus wird anhand der Fig. 4 beschrieben, die das Prinzip der durch jeden dieser Vorspünge (43) bewirkten Vorbelastung zeigt. Jeder Vorsprung (43) weist eine Ausnehmung (43 a) in der radial innenliegenden Endoberfläche auf. Ein Paar von Kugelabrollnuten (41, 41) ist in den entgegengesetzt gerichteten Umfangsenden der Ausnehmung (43 a) ausgebildet. Diese Kugelabrollnuten (41, 41) wirken mit den Kugelkeilnuten (23, 23) zusammen, wobei sie zwischen sich die Kugeln (B 1, B 2) einklemmen, wobei die Kugeln (B 2) im wesentlichen in den Drehrichtungen vorbelastet sind, wodurch irgendein merkliches Winkelspiel, das heißt ein Totgang in der Drehrichtung beseitigt wird. Es ist weiterhin zu erkennen, daß jede Kugel (B 2) in einer Richtung abgestützt ist, die durch eine Linie deffiniert ist, die die Punkte verbindet, an denen die Kugel (B 2) mit den Nutenoberflächen in Berührung steht, wobei diese Linie einen vorgegebenen Winkel (β) bezüglich einer radialen Linie bildet, die vom Mittelpunkt der Welle ausgeht. Vorzugsweise wird dieser Winkel, der als "Kontaktwinkel" (β) bezeichnet wird, so ausgewahlt, daß er ungefähr 45 Grad beträgt.

Die Vorbelastung der Kugeln (B 2) kann mit Hilfe anderer geeigneter Einrichtungen durchgeführt werden, vorausgesetzt, daß diese Einrichtungen eine Vorspannung oder Vorbelastung der Kugeln (B 2) in einer Richtung bewirken können, die den Drehrichtungen angenähert ist.

Das Halteteil (42) weist eine dünnwandige zylindrische Form mit einer Vielzahl von Schlitzen (44) auf, die in Radialrichtung mit den Kugelabrollnuten (41) ausgerichtet sind, sodaß sie die belasteten Kugeln führen können. Das Halteteil (42) weist weiterhin radial nach außen gerichtete Wülste (45, 45, 45) auf, die in die Ausnehmungsteile zwischen den radial nach innen vorspringenden Vorspüngen (43, 43, 43) auf der Innenumfangsfläche der äußeren Keilnuthülse passen. Die Wülste (45, 45, 45) sind so bemessen, daß ihre radial außen liegenden Enden mit den Böden der vorstehend genannten Ausnehmungsteile zusammenpassen. Jeder Wulst (45) ist mit Kugelumlaufnuten (46) versehen, entlang der die Kugeln zum Umlauf gebracht werden. Eine Endkappe (48) ist an jedem axialen Ende des Halteteils (42) angeschweißt. Die Endkappe (48) ist mit Kugelumlenknuten (47) versehen, durch die die belasteten Kugeln (B 2), die entlang der Schlitze (44) geführt wurden, in die Kanäle eingeleitet werden, die durch die Kugelumlaufnuten gebildet sind.

Das Gehäuse (10), in dem die Führungseinheit (5) für die zusammengesetzte Bewegung zusammengebaut ist, weist eine Bohrung (13) zur Aufnahme der Welle (2) auf. Die Innenumfangsoberfläche des Gehäuses (10), die die Bohrung (13) umgrenzt, lagert die Kugelschraubenmutter (3) und die äußere Keilnuthülse (4) der Führungseinheit (5) in drehbarer Weise, über jeweilige Kugellager (6-9). Die Kugelschraubenmutter (3) und die äußere Keilnuthülse (4) sind so nahe wie möglich aneinander in Axialrichtung angeordnet, um auf diese Weise die Größe der gesamten Führungsvorrichtung zu verringern. Es ist weiterhin verständlich, daß die äußere Keilnuthülse (4) einen Außendurchmesser aufweist, der gleich dem der Mutter (3) ist, sodaß die Bohrung (13) in dem Gehäuse (10) die Form einer geraden Bohrung ohne Abstufung aufweisen kann. Diese Anordnung ermöglicht es, daß die Kugelmutter (3) und die äußere Keilnuthülse (4) automatisch beim Zusammenbau zentriert werden. Es ist daher möglich, eine gleichförmige Bewegung der Welle (2) sowohl in Axialrichtung als auch in Drehrichtung sicherzustellen.

Die Kugelschraubenmutter (3) ist in dem Gehäuse (10) über zwei Traglager (6, 7) gelagert, die an der Außenumfangsoberfläche des Mutterbauteils (31) an den beiden axialen Endteilen angeordnet sind. Im einzelnen sind Kugelabrolloberflächen (61, 71) für Kugeln (B 6, B 7) der Lager (6, 7) in den axialen Endteilen der Außenumfangsoberfläche des Mutterbauteils (31) ausgebildet, während die äußeren Laufbahnen (62, 72) der Lager (6, 7) in die Bohrung (13) des Gehäuses (10) eingepaßt sind. Die äußere Laufbahn (26) des Lagers (6), die auf der axial außen liegenden Seite angeordnet ist, weist einen Befestigungsflansch auf, der in Radialrichtung nach außen vorspringt und mit Hilfe von Schrauben (14) an der benachbarten Endoberfläche des Gehäuses (10) befestigt ist.

Damit sind die Traglager (6, 7) als Lager mit Winkelkontakt ausgebildet, bei denen die Kugeln (B 6, B 7) der Lager (6, 7) mit den Kugelabrolloberflächen (62 a, 72 a) auf dem äußeren Laufring und den Kugelabrrolloberflächen (61, 71) auf dem Mutterbauteil (31) in einer derartigen Weise in Berührung stehen, daß die die Kontaktpunkte verbindenden Linien gegenüber radialen Linien geneigt sind. Die Lager (6, 7) sind damit Rücken an Rücken angeordnet und verwenden das Mutterbaueil (31) als inneren Laufring, sodaß es nicht erforderlich ist, getrennte innere Laufbahnelemente vorzusehen. Die beschriebene Anordnung zur Lagerung der Kugelschraubenmutter (3) ist jedoch lediglich zu Erläuterungszwecken gewählt und die Lagerung kann durch Radiallager oder Lager gebildet sein, die Stirnseite an Stirnseite angeordnet sind.

Die Kugeln (B 6, B 7) der Traglager (6, 7) sind vorgespannt oder vorbelastet. Die Vorbelastung wird bei dieser Ausführungsform mit Hilfe eines Abstandststückes (15) erreicht, das zwischen den äußeren Laufbahnen (62 und 63) der Lager (6, 7) angeordnet ist. Es ist möglich, das Ausmaß der Vorbelastung dadurch einzustellen, daß selektiv Abstandsstücke mit unterschiedlicher axialer Länge verwendet werden. Andere Vorspann- oder Vorbelastungsverfahren können auch verwendet werden, und es ist beispielsweise möglich, das Abstandsstück (15) mit einem piezoelektrischen Element auszubilden, um eine Steuerung der axialen Länge des Abstandsstückes zu ermöglichen, oder es können hydraulische Einrichtungen verwendet werden, die steuerbare Anpreßkräfte erzeugen, um die beiden äußeren Laufbahnen voneinander fort vorzuspannen.

Die äußere Keilnuthülse (4) ist in dem Gehäuse (10) ebenfalls über zwei Traglager (8, 9) vom Winkelkontakttyp gelagert, die Rücken an Rücken angeordnet sind. Die Traglager (8, 9) weisen Kugelabrolloberflächen (82 a, 92 a), entlang derer die Kugeln (B 8, B 9) der Lager (8, 9) abrollen, und äußere Laufbahnen (82, 92) auf, die in die Bohrung (13) des Gehäuses (10) eingesetzt sind. Die äußere Laufbahn (92) des Lagers (9), die auf der axial außen liegenden Seite angeordnet ist, weist einen Befestigungsflansch (93) auf, der in Axialrichtung vorspringt und mit Hilfe von Schrauben an der Endoberfläche des Gehäuses (10) gegenüberliegend zur Mutter (3) befestigt ist.

Wie im Fall der Kugelschraubenmutter (3) ist ein Abstandsstück (16) zwischen den äußeren Laufbahnen (82, 92) der Traglager (8, 9) angeordnet und dient zur Vorbelastung der Kugeln (B 8, B 9) der Traglager (8, 9).

Bei der beschriebenen Ausführungsform werden die Mutter (3) und die äußere Keilnuthülse (4) über Riemen angetrieben, die mit einer Kugelmutter-Antriebsriemenscheibe (11) bzw. mit einer Keilnuthülsen-Antriebsriemenscheibe (12) in Eingriff stehen, die an den Endoberflächen der Kugelmutter (3) bzw. der äußeren Keilnuthülse (4) befestigt sind und als Kraftübertragungselemente dienen. Im einzelnen weist die Kugelmutter-Antriebsriemenscheibe (11) eine ringartige Form auf und ist an einer Endoberfläche der Mutter (3) mit Hilfe von Schrauben (14) befestigt. Der Außendurchmesser der Riemenscheibe ist im wesentlichen gleich dem des Befestigungsflansches des Traglagers (6). Das Innenumfangsende der Riemenscheibe (11) ist sehr nahe an der Oberfläche der Welle (2) angeordnet. Andererseits ist die Kugelnuthülsen-Antriebsriemenscheibe (12) ebenfalls ein ringförmiges Bauteil, das an der Endoberfläche der äußeren Kugelnuthülse (4) mit Hilfe von Schrauben (14) befestigt ist. Die Riemenscheibe (12) weist einen Außendurchmesser auf, der im wesentlichen gleich dem des Befestigungsflansches (93) und damit gleich dem der Kugelmutter- Antriebsriemenscheibe (11) ist.

Obwohl verschiedene Arten von Übertragungsriemen verwendbar sind, wird die Verwendung von Zahnriemen bevorzugt, weil sich hierdurch eine genaue Steuerung des Vorschubes erzielen läßt. Es ist zu erkennen, daß die Verwendung von Riemen für die Kraftübertragungseinrichtung nicht zwingend ist und daß die beschriebene Ausführungsform auch unter Verwendung von Antriebssystemen vom Ketten- oder Zahnradtyp betrieben werden kann. In diesen Fällen werden die Riemenscheiben durch Kettenräder oder Zahnräder in Abhängigkeit von dem gewählten Antriebssystem ersetzt.

Die Führungsvorrichtung (1) für die zusammengesetzte Bewegung der vorstehend beschriebenen Art wird beispielsweise in einem Roboter verwendet, wobei ihr Gehäuse (10) an einem Befestigungsteil (19) des Roboter-Hauptteils mit Hilfe von Schrauben (20) befestigt wird. Im Betrieb werden die Kugelschraubenmutter-Antriebsriemenscheibe (11) und die Keilnuthülsen-Antriebsriemenscheibe (12) selektiv angetrieben, sodaß sich entweder eine oder beide dieser Riemenscheiben drehen, wodurch die Welle (2) eine Drehbewegung, eine axiale Hin- und Herbewegung oder eine zusammengesetzte Bewegung ausführt, die aus einer Drehung und einer Axialbewegung zusammengesetzt ist.

Die Kugeln (B 1) zwischen den Kugelnuten (22 und 23) der Welle (2) und der Mutter (3) sind in Axialrichtung vorgespannt. Zusätzlich sind die Kugeln (B 6, B 7) der Traglager vom Winkelkontakttyp, die die Mutter (3) lagern, ebenfalls in Axialrichtung vorgespannt. Daher werden die Kugeln (B 1, B 6 und B 7) durch die Trägheitskraft niemals elastisch verformt, selbst wenn die Welle (2) abrupt während der Axialbewegung gestoppt wird, sodaß jede Schwingungsbewegung verhindert wird.

Dies stellt andererseits sicher, daß die Phasenverzögerung zum Zeitpunkt des Anlaufens der Führungsvorrichtung beseitigt ist, während die Präzision der axialen Einstellung vergrößert wird. Weiterhin kann die axiale Schwingung der Welle (2) bezüglich des Gehäuses (10) verhindert werden, weil das Axialspiel beseitigt ist. Dies beseitigt andererseits jede schwingende Verschiebung der Kugeln in der äußeren Keilnuthülse (4), die in dem gleichen Gehäuse (10) befestigt ist, sodaß die Abriebkorrosion der Kugelabrolloberflächen verhindert werden kann.

Auch das Spiel der Welle (2) in Drehrichtung wird vollständig vermieden, weil die Kugeln (B 2), die zwischen der äußeren Keilnuthülse (4) und der Welle (2) eingefügt sind, in Drehrichtung vorgespannt sind. Es ist damit möglich, irgendeine Phasenverzögerung zum Zeitpunkt des Anlaufens der Führungsvorrichtung zu beseitigen und die Positionsgenauigkeit in Drehrichtung zu verbessern. Weiterhin werden auch sehr kleine Drehschwingungen der Welle (2) beseitigt, sodaß die Abriebkorrosion der Mutter (3), die auf das Drehspiel der äußeren Keilnuthülse (4) zurückzuführen ist, verhindert werden kann.

Das radiale Spiel oder der Totgang der äußeren Keilnuthülse (4) kann vollständig beseitigt werden, wenn die Kugeln (B 8, B 9) der Tragkugellager (8, 9) auf dieser äußeren Keilnuthülse (4) für einen Winkelkontakt angeordnet und in geeigneter Weise vorgespannt sind. Entsprechend wird die Schwingung der Welle verhindert, sodaß irgenein auf die Kugelmutter wirkendes Kraftmoment beseitigt wird, das anderenfalls durch die Schwingung der Welle (2) hervorgerufen werden könnte. Dies stellt andererseits sicher, daß die Kugeln (B 1) an beiden axialen Enden der Kugelmutter (3) niemals überlastet werden, sodaß die Kugeln (B 1) für eine lange Zeit gleichförmig abrollen können.

Das radiale Spiel der äußeren Keilnuthülse (4) könnte weiterhin zu Schwingungen der Welle (2) führen, wodurch eine Abriebkorrosion der Kugelmutter (3) hervorgerufen würde. Durch die beschriebene Ausführungsform ist es möglich, diesen unerwünschten Effekt zu unterdrücken.

Es ist weiterhin verständlich, daß der Fortfall der inneren Laufbahnen der Traglager (6-9) zu einer Verringerung der Anzahl der Teile und damit der Größe der gesammten Führungsvorrichtung beiträgt. Die Verringerung der Anzahl der Teile veringert entsprechend jeden Fehler, der im Verlauf des Zusammenbaus auftreten könnte.

Die beschriebene Ausführungsform weist aufgrund ihres vorstehend beschriebenen Aufbaus sowie ihrer Betriebsweise wesentlich verbesserte Eigenschaften auf, die im folgenden näher erläutert werden.

Zunächst ist festzustellen, daß sowohl in der Axialrichtung als auch in den Drehrichtungen höhere Steifigkeitswerte erreicht werden, und zwar aufgrund der Vorbelastung der Kugeln zwischen der Mutter und der Welle und der Vorbelastung der Kugeln der Traglager vom Winkelkontakttyp, die die Mutter lagern, sowie aufgrund der Vorbelastung der Kugeln zwischen der äußeren Keilnuthülse und der Welle in Drehrichtung. Als Folge hiervon ist das Spiel oder ein Totgang der Welle sowohl in Axialrichtung als auch in den Drehrichtungen beseitigt, sodaß sich ein verbessertes Ansprechverhalten und eine verbesserte Einstellpräzision ergibt.

Der Fortfall des Spiels der äußeren Keilnuthülse in Drehrichtung verhindert weiterhin wirkungsvoll eine Abriebkorrosion der Mutter, die anderenfalls durch Schwingungen der Welle hervorgerufen werden könnte, die auf Schwingungen der Welle bei deren Stoppen zurückzuführen sind. Zusätzlich verhindert die Beseitigung des Axialspiels oder des Totganges der Mutter in wirkungvoller Weise eine Abriebkorrosion der äußeren Keilnuthülse, sodaß ein gleichförmiger Betrieb der Führungsvorrichtung sichergestellt wird.

Es sei weiterhin darauf hingewiesen, daß die Verwendung von vorbelasteten Traglagern vom Winkelkontakttyp zur Lagerung der äußeren Keilnuthülse das radiale Spiel der äußeren Keilnuthülse beseitigt, sodaß eine Schwingung der Welle und eine daraus folgende Überlastung der Kugeln in der Mutter aufgrund eines Kraftmomentes verhindert wird, das als Ergebnis dieser Wellenschwingung erzeugt würde, was wiederum die Abriebkorrosion der Kugeln in der Mutter verhindert.

Weil die Mutter und die äußere Keilnuthülse mit einer hohen Steifigkeit gelagert sind, weil sie jeweils durch zwei vorgespannte Lager vom Winkelkontakttyp gelagert sind, wird die Lasttragfähigkeit sowohl in Axialrichtung als auch in Radialrichtung vergrößert und die Momentenbelastbarkeit erhöht.

Damit ist die beschriebene Ausführungsform der Führungsvorrichtung für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet.

Claims (7)

1. Führungsvorrichtung für eine zusammengesetzte Bewegung, mit einer einzigen Welle, die Kugelschraubennuten und Kugelkeilnuten in einer Außenumfangsoberfläche in überlappter Weise aufweist, mit einer auf der Welle über eine Anzahl von Kugeln befestigten Kugelmutter, mit einer auf der Welle über eine Anzahl von Kugeln befestigten äußeren Keilnuthülse, mit einem Gehäuse, in dem die Kugelmutter und die äußere Keilnuthülse drehbar über jeweilige Paare von Traglagern gelagert sind, die eine Anzahl von Kugeln einschließen, und mit Kraftübertragungseinrichtungen, über die die Kugelmutter und die äußere Keilnuthülse unabhängig voneinander antreibbar sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kugeln (B 1), die zwischen der Kugelmutter (3) und der Welle (2) eingefügt sind, in Axialrichtung der Welle (2) vorbelastet sind,
daß die Kugeln (B 6, B 7) der Traglager (6, 7) zur Lagerung der Kugelmutter (3) vorbelastet sind, und
daß die zwischen der äußeren Keilnut (4) und der Welle (2) eingefügten Kugeln (B 2) im wesentlichen in Drehrichtung der Welle vorbelastet sind.

2. Führungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbelastung der zwischen der Kugelmutter (3) und der Welle (2) eingefügten Kugeln (B 1) durch einen Unterschied der Steigungen der Kugelabrollnut am Innenumfang der Kugelmutter (3) und der Steigung der Kugelschraubennut auf der Welle ausgebildet ist.

3. Führungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln in den Traglagern (6, 7, 8, 9) durch ein Abstandsstück (15, 16) vorgespannt sind, das zwischen den äußeren Laufbahnen (62, 72, 52, 92) der paarweise angeordneten Traglager (6, 7, 8, 9) angeordnet ist.

4. Führungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbelastung der zwischen der äußeren Keilnuthülse (4) und der Welle (2) eingefügten Kugeln durch vorgegebene Positionen der in der Welle (2) ausgebildeten Kugelkeilnut (23) und durch eine vorgegebene Position der Kugelabrollnuten ausgebildet wird, die in einem Eckenteil eines Ausnehmungsbereiches gebildet sind, der in einem vorspringenden Teil des Innenumfangs der äußeren Keilnuthülse ausgebildet ist.

5. Führungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Traglager (6, 7) zur Lagerung der Kugelmutter (3) vom Winkelkontakttyp sind.

6. Führungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Traglager (8, 9) zur Lagerung der äußeren Keilnuthülse (4) vom Winkelkontakttyp sind, wobei die Kugeln (B 8, B 9) vorbelastet sind.

7. Führungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Traglager (6, 7, 8, 9) zur Lagerung der Kugelmutter (3) und der äußeren Keilnuthülse (4) innere Laufbahnen (61, 71, 81, 91) aufweisen, die durch Oberflächen der Kugelmutter bzw. der äußeren Keilnuthülse gebildet sind,
daß stationäre Laufbahnen in dem Gehäuse ausgebildet sind, und
daß Kugeln in dem Spalt zwischen den inneren und äußeren Laufbahnen abrollen.