DE3814061A1 - Fuehrungsvorrichtung zur fuehrung zusammengesetzter bewegungen - Google Patents
Fuehrungsvorrichtung zur fuehrung zusammengesetzter bewegungenInfo
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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.
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.
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.
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