DE3900121A1 - Ball bearing axial tension regulating assembly - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einstel lung der Axialkomponente für die spielfreie Vorspan nung von Wälzlagern oder Spindelmuttern, wobei die Vorrichtung ein in Kraftfluß der Axialabstützung an geordnetes, hinsichtlich seiner Stellgröße variables Spannelement enthält.The invention relates to a device for adjustment axial component for backlash-free preload tion of rolling bearings or spindle nuts, the Device on in force flow of the axial support orderly, variable with regard to its manipulated variable Contains clamping element.
Bei Maschinen aller Art, insbesondere bei Werkzeug maschinen, finden regelmäßig Baugruppen Verwendung, mit Hilfe derer bewegte Maschinenteile oder Werk stücke spielfrei zu lagern und/oder zuzustellen sind. So enthält nahezu jede Werkzeugmaschine eine Haupt- oder Arbeitsspindel in Form einer Welle, die das Werkzeug und/oder das Werkstück trägt. Da die Lage rung einer solchen Spindel maßgeblich unter dem Ein fluß der Bearbeitungskräfte steht und die Bearbei tungsgenauigkeit bestimmt, kommt ihr besondere Bedeu tung zu. Es werden zum Spielausgleich vorgespannte Wälzlagerungen, z. B. Schräg- und Kegelrollenlager, oder auch reine Axiallager eingesetzt. Um nun bei diesen Lagern Laufruhe, Dauergenauigkeit und Stei figkeit zu gewährleisten, werden sie mit mechani schen Mitteln vorgespannt. Zu diesen Vorspannmit teln gehören starre Einstellelemente, wie z. B. Einstellscheiben, die unter Lagerdeckel gelegt wer den, in der Tiefe verstellbare, zentrierte Lager deckel, Wellenmuttern und dergleichen. Daneben gibt es elastische Einstellmittel, wie z. B. vorgespann te Tellerfederpakete. All diese Mittel zur Erzeu gung der Vorspannkraft werden bei der Montage der Maschine fest eingestellt und allenfalls erst wie der bei der Wartung oder Überholung verändert.For machines of all kinds, especially for tools machines, assemblies are regularly used, with the help of moving machine parts or movements pieces must be stored and / or delivered without play. Almost every machine tool contains a main or work spindle in the form of a shaft that the Tool and / or the workpiece carries. Because the location of such a spindle is significantly below the one flow of machining forces and the machining accuracy, it is of particular importance tion to. There are prestressed to compensate for the game Rolling bearings, e.g. B. angular and tapered roller bearings, or pure axial bearings used. To now at These bearings run smoothly, consistently and smoothly To ensure that you are able to use mechani biased funds. To this leader means include rigid adjustment elements, such as. B. Shims placed under the bearing cap the adjustable, centered bearing cover, shaft nuts and the like. Besides there it elastic adjustment means such. B. tempered plate spring packs. All of these means of production of the preload are when mounting the Machine set and at best how that changes during maintenance or overhaul.
Neben den genannten Haupt- und Arbeitsspindeln gibt es Bewegungs- und Vorschubspindeln. Solche Spindeln tragen an ihrem Umfang ein Gewinde und werden auf einem Teilstück von einer Mutter umgriffen, die starr an den zu bewegenden Maschinenschlitten befestigt ist. Um nun einen solchen Schlitten möglichst präzise zu bewegen, ist dafür Sorge zu tragen, daß zwischen Ge winde der Mutter und Gewinde der Spindel klare An lageverhältnisse vorliegen, die in besonders gelagerten Fällen aber durchaus auch ein bestimmtes, genau ein gestelltes und aufrechtzuerhaltendes Spiel beinhal ten können.In addition to the main and work spindles mentioned there movement and feed spindles. Such spindles carry a thread on their circumference and become encircled by a mother who was rigid is attached to the machine slide to be moved. To make such a sled as precise as possible move is to ensure that between Ge wind the nut and the thread of the spindle clear positional relationships exist that are in particularly stored However, there are also certain cases, exactly one posed and maintainable game including can.
Zur Beeinflussung dieser Anlageverhältnisse verwendet man im allgemeinen quer- bzw. radial- oder längsge teilte bzw. achsparallel geteilte Muttern. Used to influence these investment conditions one generally transverse, radial or longitudinal split or axially split nuts.
Bei den quergeteilten Muttern ist besonders die Dop pelmutter bekannt, die aus zwei einzelnen Muttern be steht, die hintereinander angeordnet axial gegenein ander verspannt werden. Die hierzu notwendige axiale Vorspannung stellt der Hersteller der Mutter werk seitig ein. Dazu werden z. B. die beiden Muttern ne beneinander auf der Spindel gespannt positioniert, um in dieser Position mit einem Schrumpfring ver bunden zu werden. Ein solcher Schrumpfring kann zum Nachstellen hydraulisch gelöst werden. Anstelle der Schrumpfring-Verbindung werden auch Paßfedern in Kom bination mit anderen Bauteilen eingesetzt.In the case of the cross-divided nuts, the dop is particularly important pelmutter known that be from two individual nuts stands, arranged one behind the other axially against each other to be strained. The axial necessary for this The manufacturer of the parent plant provides preload sided. For this z. B. the two nuts ne positioned next to each other on the spindle, to use a shrink ring in this position to be bound. Such a shrink ring can Adjustment can be solved hydraulically. Instead of Shrink ring connection are also parallel keys in com combination with other components.
Bei den längsgeteilten Muttern hat man z. B. zwei Halb schalen, die mit in Umfangsrichtung wirkenden Spannvor richtungen gegeneinander verspannt werden. Auch finden einteilige Muttern Verwendung, die nicht geteilt sind, sondern nur einseitig einen Längsschlitz aufweisen, der sich vom Innen- zum Außendurchmesser radial er streckt. Die Schlitzweite kann nun z. B. mittels ei ner Zugschraube variiert werden. Hierdurch ändert sich unter anderem der Innendurchmesser der Mutter, wodurch möglicherweise vorhandenes Spiel zwischen der Mutter und der Spindel ausgeglichen werden kann. Allerdings wird auch in diesem Fall die Spieleinstellung bzw. die Einstellung der Vorspannung nur bei der Montage oder Überholung der Maschine eingestellt.With the longitudinally divided nuts one has z. B. two half shell that with acting in the circumferential direction directions are braced against each other. Find too use one-piece nuts that are not split but only have a longitudinal slot on one side, which is radial from the inside to the outside diameter stretches. The slot width can now z. B. by means of egg ner lag screw can be varied. This changes among other things, the inside diameter of the nut, whereby possible play between the mother and the spindle can be compensated. Indeed in this case too, the game setting or the setting of the preload only during assembly or machine overhaul set.
Nachteilig bei der einmaligen axialen Vorspannung der Lager bzw. der Spindelmutter ist die Tatsache, daß sich diese Einstellung ausschließlich an einem Betriebspunkt der Lagerung bzw. der Spindelmutter orientiert. Dieser Betriebspunkt ist zudem an der Maximalbelastung der Maschine - innerhalb ihres Ein satzbereiches - orientiert, womit er also einer Ex tremsituation gerecht wird. So muß, z. B. bei einer Spindelmutter, die Vorspannung so eingestellt werden, daß die axiale Vorspannung innerhalb der Mutter ober halb eines Mindestbetrages bleibt. Würde der Betriebs punkt für die Auslegung der Vorspannkraft in einen durchschnittlichen Belastungsbereich verlegt, so wür de die Mutter bei hoher Belastung Umkehrspiel zeigen.A disadvantage of the one-time axial preloading of the bearings or the spindle nut is the fact that this setting is based exclusively on an operating point of the bearing or the spindle nut. This operating point is also based on the maximum load on the machine - within its area of application - which means that it can cope with an extreme situation. So, e.g. B. in a spindle nut, the bias is set so that the axial bias remains within the nut above half of a minimum amount. If the operating point for the design of the preload were moved to an average load range, the nut would show backlash under high loads.
Die bekanntermaßen fest eingestellte hohe axiale Vorspan nung ist also notwendig, um Dauergenauigkeit und hohe Steifigkeit des Systems zu garantieren. Mit zu nehmender Vorspannung steigt allerdings auch die Reib leistung des Systems. Dies senkt nicht nur den mecha nischen Wirkungsgrad, sondern führt auch zu Erwärmungen und den damit verbundenen Einflüssen auf die Genauig keit der Einstellung des Systems sowie zu Verschleiß erscheinungen, die die Lebensdauer des Systems er heblich herabsetzen. Dies gilt sowohl für die Lage rung als auch die Bewegungsspindeln.The well-known high axial preload is necessary to ensure long-term accuracy and guarantee high rigidity of the system. With too increasing pre-tension also increases the friction system performance. This not only lowers the mecha efficiency, but also leads to warming and the associated influences on the accuracy system adjustment and wear phenomena that affect the life of the system significantly lower. This applies to both the location tion as well as the movement spindles.
Besonders störend ist die fest eingestellte axiale Vor spannung bei Eilgangbewegungen, die ja bei hohen Dreh zahlen ablaufen. Denn hier entsteht durch die Kombina tion Vorspannung/hohe Drehzahl eine hohe Erwärmung, die den Verschleiß besonders fördert, gerade bei einer Be triebsart, bei der eine Vorspannung überhaupt nicht be nötigt wird.The fixed axial front is particularly disturbing tension in rapid traverse movements, which is yes at high speed numbers expire. Because here comes from the Kombina tion preload / high speed a high temperature rise particularly promotes wear, especially with a Be mode of operation in which a bias is not at all is required.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung anzugeben, durch die die Axialkomponente der Vorspannung von Wälzlagern und Spindelmuttern der vorbeschriebenen Art auch im Betrieb in Anpassung an die unterschiedlichen Betriebsbedingungen gegebenen falls programmgesteuert einstellbar ist.The object of the present invention is therefore a Specify device through which the axial component the preload of rolling bearings and spindle nuts the type described above also in operation in adaptation to given the different operating conditions if programmable can be set.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorrichtung ein Spannelement enthält, das aus scheibenförmigen Piezoelementen besteht, die mechanisch in Reihe angeordnet und elektrisch pa rallel geschaltet sind.According to the invention, this object is achieved by that the device contains a clamping element that consists of disk-shaped piezo elements that mechanically arranged in series and electrically pa are connected in parallel.
Ein derartiges Spannelement ist in der Lage, sich durch die Vergrößerung der Scheibendicke der einzel nen Piezoelemente im 1/1000-stel-mm-Bereich auszu dehnen. Ein üblicher Wert ist hierbei 1 µm/ 100 Volt Spannungsbeaufschlagung. Dabei sind sie in der Lage in Abhängigkeit der Größe der scheibenförmigen Fläche der einzelnen Elemente große Kräfte zu übertragen. Eingebaut in den Kraftfluß von Axialabstützungen bei Wälzlagern und Spindelmuttern erzeugen sie bei Span nungsbeaufschlagung eine hohe axiale Vorspannung, wo durch die Steifigkeit und die Genauigkeit des Systems angehoben werden kann. Schließt man die scheibenförmi gen Piezoelemente kurz, so wird deren vorherige Längen ausdehnung rückgängig gemacht, wodurch die axiale Vor spannung der zuvor erwähnten Systeme verringert wird oder sogar Spiel entsteht. Dieses Absenken der Vor spannung oder Erzeugen des Spiels senkt die Reiblei stung des Systems und erhöht somit den mechanischen Wirkungsgrad. Die Verminderung der Reibleistung führt zu einer geringeren Erwärmung im Wälzlager oder in der Spindelmutter, wodurch die Dauergenauigkeit und Lebens dauer der jeweiligen Systeme angehoben wird.Such a clamping element is able to by increasing the slice thickness of the individual Piezo elements in the 1/1000th of a mm range stretch. A common value is 1 µm / 100 volts Voltage application. They are able to do this depending on the size of the disk-shaped surface transfer large forces of the individual elements. Installed in the power flow of axial supports Rolling bearings and spindle nuts produce them during machining a high axial preload where due to the rigidity and accuracy of the system can be raised. If you close the disc-shaped Piezo elements are short, so their previous lengths expansion undone, reducing the axial forward voltage of the aforementioned systems is reduced or even play arises. This lowering the front Tension or creating the game lowers the frustration performance of the system and thus increases the mechanical Efficiency. The reduction in friction leads to a lower heating in the rolling bearing or in the Spindle nut, which ensures the long-term accuracy and life duration of the respective systems is increased.
Aus sicherheitstechnischen Gründen können die Spannele mente derart eingebaut bzw. beschaltet werden, daß bei Ruhezustand des Systems in den Wälzlagern bzw. den Spin delmuttern eine Mindest- oder Standardvorspannung gege ben ist, die es erlaubt, die Maschinen oder Geräte, in denen die Wälzlager oder Spindelmuttern eingesetzt sind, auch dann weiterzubenutzen, wenn das Vorspannsystem, z. B. durch Kabelbruch, ausfällt.For safety reasons, the Spannele elements are installed or connected in such a way that at System idle state in the rolling bearings or the spin against a minimum or standard preload ben, which allows the machines or devices in where the rolling bearings or spindle nuts are used, continue to be used even if the pre-tensioning system e.g. B. due to cable breakage.
Übliche Werte für eine derartige Standardvorspannung liegen bei einer Steifigkeit von ca. 3 KN/µm. Um nun die Vorspannung über die Standardvorspannung hinaus zu vergrößern, kann durch Anlegen von z. B. -700 V eine Systemsteifigkeit von 10 KN/µm erreicht werden. Um Steifigkeiten unter dem Wert der Grundeinstellung zu erzeugen, kann man z. B. +300 V anlegen, wodurch die Systemsteifigkeit gegen Null geht.Usual values for such a standard preload have a rigidity of approx. 3 KN / µm. Um now the preload beyond the standard preload to enlarge, can by z. B. -700 V a system stiffness of 10 KN / µm can be achieved. To stiffness below the value of the basic setting to generate, you can e.g. B. create +300 V, whereby the system stiffness goes to zero.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist man also in der Lage, je nach dem gewünschten Belastungsfall die Wälzlager oder die Spindelmuttern in der Maschine während des Betriebes vorzuspannen oder zu entlasten.So you are with the device according to the invention able, depending on the desired load case the rolling bearings or the spindle nuts in the machine preload or relieve during operation.
So kann, z. B. für einen Bearbeitungsvorgang, der eine hohe Genauigkeit benötigt, eine Vorspannung angelegt werden, während in einer anderen Betriebsart, z. B. bei einer Eilgangbewegung zwischen den Bearbeitungs vorgängen oder einer beliebigen Bewegung während der Rüstphase, ohne Vorspannung gearbeitet wird. So, e.g. B. for a machining operation, the one high accuracy required, preload applied be while in a different mode, e.g. B. with a rapid movement between the machining operations or any movement during the Setup phase, without bias.
In Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich das Spann element dadurch aus, daß es als ein eine Welle oder ei ne Spindel umfassender Kreisring ausgebildet ist. Da bei sind die einzelnen scheibenförmigen Piezoelemente in Richtung der Kreisringachse aufeinander geschichtet. Die Kreisringbauweise und die Schichtungsart haben den Vorteil, besonders raumsparend zu bauen. Schließlich sollen Sie auf geringstem Raum, wenn möglich in einer Spindelmutter oder direkt neben einem Wälzlager, unter gebracht werden. Gerade für einen solchen Verwendungs zweck ist die Ringform besonders geeignet.In a further development of the invention, the instep is distinguished element in that it is considered a wave or egg ne circular ring is formed spindle. There at are the individual disk-shaped piezo elements stacked in the direction of the circular ring axis. The circular ring design and the type of layering have the The advantage of being particularly space-saving. In the end should be in the smallest possible space, if possible in one Spindle nut or right next to a rolling bearing, under to be brought. Just for such a use The ring shape is particularly suitable for this purpose.
Von Vorteil ist es, das Spannelement in Richtung der funktionsbedingten geometrischen Längenänderung beid seits durch je einen Deckring zu begrenzen. Dadurch können z. B. vorgefertigte Kreisringe aus Piezoele menten an die Abstützflächen der entsprechenden Wälz lagerringe angepaßt werden.It is advantageous to the clamping element in the direction of function-related geometric length change both limit each by a cover ring. Thereby can e.g. B. prefabricated circular rings made of piezoelectric elements on the support surfaces of the corresponding roller bearing rings are adjusted.
Desweiteren besteht die Möglichkeit, mindestens einen Deckring auf mindestens einer Fläche, von der eine Aus dehnungsrichtung wenigstens annähernd parallel zur Rich tung der Längenänderung verläuft, mit einem Dehnmeß streifen zu versehen.There is also the possibility of at least one Cover ring on at least one surface, one of which is off direction of stretch at least approximately parallel to the Rich tion of the change in length runs with a strain gauge to provide stripes.
Da dieser Deckring im Kraftfluß der Axialabstützung angeordnet ist, wird er durch die anliegende Axial kraft gestaucht. Aus der Stauchung, die mit Dehnmeß streifen erfaßt werden kann, und der Steifigkeit des Deckrings läßt sich die anliegende Axialkraft (Vor spannkraft) berechnen. In Weiterbildung der Erfindung verfügt also die Vorrichtung neben dem Spannelement auch über ein Meßglied. Beide sind über einen Regler gekoppelt. Dadurch kann die jeweilige Vorspannkraft genau erfaßt, eingestellt und geregelt werden, unab hängig von der Bearbeitungsgenauigkeit und dem Ver schleiß des Systems. Das elektronisch aufgearbeitete Signal des Dehnmeßstreifens, das mit der Vorspann kraft eng verknüpft ist, kann einem Regler zugeführt werden. Der damit am Regler ankommende Istwert wird mit einem Sollwert, der per Hand oder über eine Ma schinensteuerung vorgegeben ist, im Regler vergli chen. Liegt der Istwert unter dem Sollwert, so wird die axiale Vorspannkraft durch eine Spannungserhöhung am Spannelement erhöht.Because this cover ring in the power flow of the axial support is arranged, it is due to the axial force compressed. From the upsetting with the strain gauge strip can be detected, and the rigidity of the Cover ring the applied axial force (pre tension). In development of the invention So the device next to the clamping element also via a measuring element. Both are via a controller coupled. This allows the respective preload be precisely recorded, adjusted and regulated, regardless depending on the machining accuracy and the ver system wear. The electronically processed Signal from the strain gauge, which with the leader force is closely linked, can be fed to a controller will. The actual value arriving at the controller with a setpoint that can be set manually or via a measure machine control is specified, compare in the controller chen. If the actual value is below the target value, then the axial preload due to an increase in tension increased on the clamping element.
Da nun die Dehnmeßstreifen im Deckring nicht die rei ne axiale Vorspannkraft erfassen, sondern eine Über lagerung aus der äußeren durch die Maschine aufge brachten Axiallast und der Vorspannung, die durch ei ne entsprechende Spannungsbeaufschlagung der Spannele mente erzeugt wird, ist es notwendig, die Größe der äußeren Axialkraft zu ermitteln, um sie von der Über lagerung zu subtrahieren. Zur Ermittlung der äußeren Axialkraft kann ein Längenmeßelement im Kraftfluß zwischen den vorgespannten Wälzlagern bzw. Spindel muttern und den diese Teile tragenden Maschinentei len angeordnet werden.Now that the strain gauges in the cover ring are not the best ne axial preload force, but an over storage from the outside through the machine brought axial load and the preload caused by ei ne appropriate stressing of the Spannele is generated, it is necessary to size the external axial force to determine them from the over subtract storage. To determine the outer Axial force can be a length measuring element in the force flow between the preloaded roller bearings or spindle nuts and the machine parts carrying these parts len are arranged.
Auf diese Weise kann die Vorspannkraft exakt während des Betriebs den dortigen Erfordernissen angepaßt wer den. Schwankungen der Vorspannkraft können somit über die Regelung kompensiert werden. In this way, the preload can be exactly during who adapted the operation to the local requirements the. Fluctuations in the preload force can thus the regulation can be compensated.
Der als Meßglied vorgesehene Deckring kann an vier Flächen mit Dehnmeßstreifen versehen sein, wobei die vier Flächen gleichförmig über den Umfang der Innen fläche des Deckrings angeordnet sind. Mehr als vier Flächen zur Aufnahme der Dehnmeßstreifen sind eben falls denkbar. Auch können diese Flächen, wenn es die Einbaubedingungen zulassen, am äußeren Umfang des Deckringes liegen. Die Flächen brauchen hierzu nicht unbedingt eben zu sein, sie können z. B. auch im ma kroskopischen Bereich zylinderisch gekrümmt sein.The cover ring provided as a measuring element can be connected to four Surfaces with strain gauges, the four areas uniformly over the circumference of the interior surface of the cover ring are arranged. More than four Areas for receiving the strain gauges are flat if conceivable. Also, these areas, if it is the Allow installation conditions on the outer circumference of the Cover ring. The areas do not need this be absolutely flat, you can z. B. also in ma microscopic area be cylindrically curved.
Das zuvor genannte Längenmeßelement, mit dessen Hilfe die von außen auf das System wirkende Kraft errechnet werden kann, ist vergleichbar mit dem zuvor beschrie benen Deckring, der die Dehnmeßstreifen trägt.The aforementioned length measuring element, with its help the external force acting on the system is calculated can be compared to that previously described cover ring that carries the strain gauges.
Neben der zuvor beschriebenen Regelung, bei der die axiale Vorspannkraft unter Last nachgeregelt werden kann, gibt es eine weitere recht preiswerte Beschal tungsmöglichkeit. So kann vor der Belastung des Sys tems die Vorspannkraft des entsprechenden Wälzlagers oder der entsprechenden Spindelmutter eingestellt und ausgeregelt werden. Anhaltspunkte sind hierbei die zu erwartenden Belastungswerte, die aufgrund der Maschinen- und Bearbeitungswerte bekannt sind. Diese Voreinstellung und Vorausregelung hat den Vorteil, daß nur ein Meßsystem erforderlich ist. Allerdings kann man unter Last nicht nachregeln.In addition to the regulation described above, in which the axial preload force can be adjusted under load there is another reasonably priced scarf possibility. So before loading the sys tems the preload force of the corresponding rolling bearing or the corresponding spindle nut and corrected. Here are some clues the expected load values due to the Machine and processing values are known. These Presetting and pre-regulation has the advantage that only one measuring system is required. Indeed you cannot readjust under load.
Eine weitere Möglichkeit, das erfindungsgemäße Spann element einzubauen, ergibt sich bei achsparallel ge schlitzten Spindelmuttern, deren Axialspiel durch ein in Umfangsrichtung wirkendes Spannelement be einflußt werden kann. Dazu wird das Spannelement, das ein quaderförmiges Paket aus scheibenförmigen Piezo elementen ist, zwischen den Stirnflächen des achsparalle len Schlitzes angeordnet und gegen diese abgestützt. Die einzelnen scheibenförmigen Piezoelemente des Pa ketes sind in Umfangsrichtung hintereinander angeord net. Werden nun die Piezoelemente mit Spannung beauf schlagt, so verringert sich die axiale Vorspannung der Spindelmutter.Another possibility, the instep according to the invention to install the element results from ge parallel slotted spindle nuts, their axial play through a clamping element acting in the circumferential direction can be influenced. For this, the clamping element, which is a cuboid-shaped package made of disk-shaped piezo elements is between the end faces of the axis parallels len slot arranged and supported against this. The individual disk-shaped piezo elements of the Pa Ketes are arranged one behind the other in the circumferential direction net. Now the piezo elements are energized strikes, the axial preload is reduced the spindle nut.
Die Funktion einer derartigen Spindelmutter beruht nun darauf, daß die Spindelmutter mit einem etwas zu geringen Innendurchmesser gefertigt wird. Damit hat sie auf der Spindel sitzend die maximale axiale und radiale Vorspannung. Erst das im Schlitz sitzende spannungsbeaufschlagte Spannelement erzeugt bei Be darf eine geringere Vorspannung oder auch Spiel durch seine in Umfangsrichtung erfolgende Längendehnung bei Spannungsbeaufschlagung. Da nun das sich ausdeh nende Spannelement den Schlitz in der Spindelmutter winkelförmig weitet, werden die Piezoelemente durch die Rückstellkraft der Spindelmutter im Bereich des Innendurchmessers mit einer höheren Flächenpressung beaufschlagt als im Bereich des Außendurchmessers. Um dem entgegenzuwirken, wird das Paket aus Piezoelementen in seiner Wirkrichtung beidseitig durch je ein Stütz element begrenzt. Dabei ist jedes Stützelement um ei nen kleinen Winkel schwenkbar angeordnet, wobei die Schwenkachse parallel zur gedachten Mittellinie der Spindelmutter verläuft. Die Auflagefläche zwischen den Stützelementen und der Ausnehmung im Spalt der Spindelmutter können zylindermantelförmig sein. The function of such a spindle nut is based now that the spindle nut with a little too small inner diameter is manufactured. With that they sitting on the spindle the maximum axial and radial preload. Only the one sitting in the slot stressed clamping element produced by Be may have a lower preload or play its circumferential elongation when voltage is applied. Now that is expanding the slot in the spindle nut the piezo elements are widened at an angle the restoring force of the spindle nut in the area of Inner diameter with a higher surface pressure acted upon as in the area of the outer diameter. Around To counteract this, the package consists of piezo elements in its direction of action on both sides by a support element limited. Each support element is around egg NEN small angle pivoted, the Swivel axis parallel to the imaginary center line of the Spindle nut runs. The contact surface between the support elements and the recess in the gap Spindle nut can be cylindrical in shape.
Selbstverständlich kann das Paket aus Piezoelementen auch direkt in den Schlitz der Spindelmutter eingepaßt werden, wenn dafür Sorge getragen wird, daß durch das winkelförmige Öffnen des Schlitzes das Paket aus Piezo elementen nach radialaußen nicht abgedrängt werden kann und die einseitige Flächenpressung, die die Piezoele mente belastet, eine vorgegebenen Grenzwert nicht über schreiten kann.Of course, the package of piezo elements also fitted directly into the slot of the spindle nut if care is taken to ensure that the angular opening of the slot the package of piezo elements cannot be pushed to the outside radially and the one-sided surface pressure that the Piezoele stressed, not exceed a predetermined limit can walk.
Auch hier ist das Spannelement mit einem in Reihe ge schalteten Längenmeßelement kombinierbar. Dabei ist das Längenmeßelement ein quaderförmiger Block, an des sen Außen- oder Innenfläche wenigstens ein Dehnmeßstrei fen angeordnet ist. Der oder die Dehnmeßstreifen kön nen auch an den Stirnflächen des quaderförmigen Blocks angeordnet sein, deren Ebenen annähernd senkrecht zur gedachten Mittellinie der Spindelmutter verlaufen.Here, too, the clamping element is in series with one switched length measuring element can be combined. It is the length measuring element is a cuboid block on which sen outer or inner surface at least one strain gauge fen is arranged. The one or more strain gauges also on the end faces of the cuboid block be arranged, the planes approximately perpendicular to imaginary center line of the spindle nut.
Für das Zusammenspiel Spannelement, Längenmeßelement und Regler gilt auch hier das oben Gesagte.For the interaction of clamping element, length measuring element and controller applies here as well.
Zusammenfassend kann man feststellen, daß die erfindungs gemäße Vorrichtung viele Vorteile auf sich vereinigt und das teilweise gleich mehrfach in einer Baugruppe. So kann z. B. bei einem Spindelantrieb (Kugelgewinde trieb, Rollengewindetrieb, Planetenrollengewindetrieb, usw.) die erfindungsgemäße Vorrichtung gleich zweimal eingesetzt werden, nämlich zur Vorspannung der Axial lagerung zum einen und zur axialen Vorspannung der von der Spindel bewegten Spindelmutter zum anderen.In summary, it can be said that the invention according device combines many advantages and sometimes several times in one assembly. So z. B. with a spindle drive (ball screw drive, roller screw drive, planetary roller screw drive, etc.) the device according to the invention twice are used, namely for preloading the axial storage on the one hand and for the axial preload of the the spindle moved the spindle nut to the other.
Die Axiallagerung kann dabei z. B. so ausgebildet sein, daß mindestens eine Axialkomponente der Lagerung zum Wellenende hin orientiert ist. Bei dieser Anordnung kann nun das variable Spannelement als Stellglied in einem ge schlossenen Regelkreis dafür sorgen, daß die Welle im Be trieb permanent axial auf Zug belastet wird. Dabei kann nun die axiale Vorspannung an die thermische Dehnung der Welle angepaßt werden. Das mit dem Spannelement verbun dene Meßelement erkennt die durch die thermische Dehnung der Welle bedingte Verringerung der Axiallast. Ihr wird durch zusätzliche Spannungsbeaufschlagung des Spannele mentes entgegengewirkt. Durch die damit verbundene Er höhung der Axialkraft wird nicht nur die Lagergenauig keit und -laufruhe erhöht, sondern auch gleichzeitig die Resonanzfrequenz der zwischen den Lagern einge spannten Spindeln. Denn die Vorspannung in Längsrich tung wirkt dämpfend.The axial bearing can z. B. be designed that at least one axial component of the bearing for Shaft end is oriented. With this arrangement can now the variable clamping element as an actuator in one ge closed control loop ensure that the shaft in the loading constantly axially loaded on train. It can now the axial preload on the thermal expansion of the Shaft to be adjusted. That connected with the tensioning element The measuring element recognizes the thermal expansion reduction of the axial load caused by the shaft. Your will by applying additional tension to the Spannele counteracted. Through the associated Er Increasing the axial force not only makes the bearing precise increased speed and smoothness, but also at the same time the resonance frequency of between the bearings clamped spindles. Because the preload in the longitudinal direction tion has a dampening effect.
Gleichzeitig wird die beispielsweise auf der Spindel sit zende Doppelmutter mit Hilfe des variablen Spannelements vorgespannt. Die axiale Vorspannung ermöglicht dabei in nerhalb des Systems Mutter/Spindel einen höheren Tragan teil. Es werden also mehr Wälzkörper als vorher am Tra gen beteiligt.At the same time, it will sit on the spindle, for example double nut with the help of the variable clamping element biased. The axial preload enables in higher tragan within the nut / spindle system part. So there are more rolling elements than before on the tra gene involved.
Dadurch erhöht sich die statische und dynamische Steifig keit des Systems, was wiederum die Genauigkeit positiv beeinflußt.This increases the static and dynamic stiffness system, which in turn improves accuracy influenced.
Wird nun keine hohe Genauigkeit gefordert, z. B. bei einer Rüst- oder Eilgangsbewegung, können die vorge spannten Elemente durch Kurzschließen der einzelnen Piezobauteile entlastet werden. Dadurch verringert sich dort die Reibung erheblich, wodurch die damit verbundene Verlustwärme abnimmt. Dies führt wieder um zur Erhöhung des Wirkungsgrades, der Dauergenauig keit und der Lebensdauer aller am Lagern und Bewegen beteiligten Systeme.If high accuracy is not required, e.g. B. at a set-up or rapid movement, the pre tensioned elements by short-circuiting the individual Piezo components are relieved. This reduces there is considerable friction, causing the associated heat loss decreases. This leads again to increase the efficiency, the long-term accuracy and the lifespan of everyone when storing and moving systems involved.
Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen zeigen im einzelnen:Further features and details of the invention result from the following description of the embodiments with reference to the drawings. The The drawings show in detail:
Fig. 1 Wälzlagerung mit Vorrichtung zur Ein stellung der axialen Vorspannung; Fig. 1 roller bearing with a device for setting the axial preload;
Fig. 2 Kugelgewindetrieb mit Doppelmutter und Vorrichtung zur Einstellung der axialen Vorspannung; Fig. 2 ball screw with double nut and device for adjusting the axial preload;
Fig. 3 Stellelement mit integrierter Kraft messung; Fig. 3 control element with integrated force measurement;
Fig. 4 Regelkreis zur Bedienung der Vorrich tung zur Einstellung der axialen Vor spannung und Fig. 4 control circuit for operating the Vorrich device for adjusting the axial voltage and before
Fig. 5 Geschlitzte Einzelmutter mit Vorrich tung zur Entlastung der axialen Vor spannung. Fig. 5 slotted single nut with Vorrich device to relieve the axial on voltage.
Fig. 1 zeigt ein Festlager, über das ein Wellenteil in einem Gehäuse gelagert ist. Fig. 1 shows a fixed bearing, via which a shaft part is mounted in a housing.
Das Primärteil des Festlagers ist ein doppelreihiges Schrägkugellager 1. Ein Innenring 2 dieses Lagers sitzt auf einem Wellenteil 3 einseitig gegen einen Wellenbund 4 angeschlagen. Gegen den Wellenbund wird der Innenring mittels einer Wellenmutter 5 und einer Hülse 6 gepreßt. Im Gehäuse 7 sitzt der geteilte Außen ring des Schrägkugellagers 1, wobei dieser aus den Rin gen 8 und 9 besteht. Der Ring 8 stützt sich an einem Wellenbund 10 ab. Der Ring 9 wird durch einen Lager deckel 11 und einen Vorspannungsregler 12 in sei ner Lage gehalten. Der Lagerdeckel 11 ist dabei starr mit dem Gehäuse 7 verschraubt. Das Gehäuse 7 kann über ein Längenmeßelement 13 an dem die ganze Lagerung tragenden Maschinenteil 14 befestigt sein. Dabei dient das Längenmeßelement 13 der Erfas sung der äußeren Kraft, die zwischen dem Gehäuse 7 und dem Maschinenteil 14 ansteht.The primary part of the fixed bearing is a double row angular contact ball bearing 1 . An inner ring 2 of this bearing sits on a shaft part 3 struck on one side against a shaft collar 4 . The inner ring is pressed against the shaft collar by means of a shaft nut 5 and a sleeve 6 . In the housing 7 sits the split outer ring of the angular contact ball bearing 1 , which consists of the Rin gene 8 and 9 . The ring 8 is supported on a shaft collar 10 . The ring 9 is held by a bearing cover 11 and a bias regulator 12 in its position. The bearing cover 11 is screwed rigidly to the housing 7 . The housing 7 can be attached via a length measuring element 13 to the machine part 14 carrying the entire bearing. The length measuring element 13 serves to capture the external force that is present between the housing 7 and the machine part 14 .
Fig. 3 zeigt einen solchen Vorspannungsregler. Er besteht im wesentlichen aus zwei Deckscheiben 30, 31 und einem dazwischen liegenden kreisringförmigen Spannelement 32. Das Spannelement 32 wird aus einem Paket gebildet, das aus aufeinander geschichteten planen kreisringförmigen Piezoelementen besteht. Der Deckring 30 weist an seiner zentralen Bohrung 37 vier rechteckförmige Nuten 33 auf. Sie sind um jeweils 90 Winkelgrade zueinander versetzt. Jede der vier im Nutgrund befindlichen Planflächen dient zur Aufnahme eines Dehnmeßstreifens 34. Die einzelnen Dehnmeß streifen sind dabei so orientiert, daß sie Längen änderungen, bedingt durch die Stauchung eines Deck rings unter Druck, optimal erfassen können. Die ra dialen Bohrungen 35 und die axialen Bohrungen 36 dienen der Zuführung der Meßleitungen. Fig. 3 shows such a bias regulator. It essentially consists of two cover disks 30 , 31 and an annular clamping element 32 lying between them. The clamping element 32 is formed from a package which consists of planar annular piezo elements which are layered one on top of the other. The cover ring 30 has four rectangular grooves 33 in its central bore 37 . They are offset from each other by 90 degrees. Each of the four plane surfaces located in the groove base serves to accommodate a strain gauge 34 . The individual strain gauges are oriented so that they can optimally detect changes in length due to the compression of a deck ring under pressure. The ra dialen bores 35 and the axial bores 36 are used to feed the measuring lines.
Somit bildet der Vorspannungsregler ein Stellelement mit integrierter Kraftmessung. Eingebaut, z. B. in das Festlager aus Fig. 1, ändert er durch Spannungs beaufschlagung der Piezoelemente seine axiale Länge, wodurch die axiale Vorspannung auf das Schrägkugel lager 1 übertragen wird. Die Vorspannung bewirkt hier bei eine Verringerung sowohl der axialen als auch der radialen Lagerluft. Im Vorspannungsregler selbst wird hierbei auch die Deckscheibe 30, aus Fig. 3, die die Dehnmeßstreifen 34 trägt, gestaucht.The preload controller thus forms an actuator with integrated force measurement. Installed, e.g. B. in the fixed bearing of Fig. 1, it changes by applying voltage to the piezo elements, its axial length, whereby the axial preload is transferred to the angular ball bearing 1 . The preload causes a reduction in both the axial and the radial internal clearance. The cover disk 30 from FIG. 3, which carries the strain gauges 34 , is also compressed in the preload regulator itself.
Die Stauchung bewirkt im Dehnmeßstreifen eine Wider standsänderung, die in einer Auswerteelektronik wei terverarbeitet wird, um beispielsweise die axiale Vorspannung je nach Lastfall zu erhöhen oder zu min dern.The compression causes a resistance in the strain gauge change in position, which in an electronic evaluation system is processed, for example, the axial Depending on the load case, increase the preload or decrease it to min other.
Fig. 4 zeigt den hierfür notwendigen Regelkreis in einem vereinfachten Blockschaltbild. Der geschlossene Regelkreis besteht aus einer Regelschaltung 40, einem Hochspannungsverstärker 41, einem piezoelektrischen Stellelement 42, das vergleichbar ist mit dem Spann element 32 aus Fig. 3, und einem Meßelement 43, ver gleichbar mit dem Deckring 30 aus Fig. 3. Fig. 4 shows the required for this control circuit in a simplified block diagram. The closed control loop consists of a control circuit 40 , a high-voltage amplifier 41 , a piezoelectric actuator 42 , which is comparable to the clamping element 32 from FIG. 3, and a measuring element 43 , comparable to the cover ring 30 from FIG. 3rd
Wird nun der Regelschaltung eine axiale Vorspannkraft als Sollwert 44 vorgegeben, so vergleicht die Regel schaltung 40 diesen vorgegebenen Wert mit dem am Meß element 43 gemessenen Istwert 45, der sich aus einer Überlagerung der von außen am System anliegenden Kraft (äußere Kraft) und der im Lager bzw. der Mutter vor handenen Spannkraft errechnet. Gleichzeitig wird zur Bestimmung der reinen axialen Vorspannkraft die äußere Kraft F ax der Regelschaltung zugeführt. Sie wird z. B. mit Hilfe der Längenmeßelemente 13, 26 aus den Fig. 1 und 2 erfaßt. Liegt der Istwert unter dem Sollwert, so veranlaßt die Regelschaltung den Hochspannungsver stärker zu einer zusätzlichen Spannungsbeaufschlagung der Piezoelemente im Stellelement 42. Die damit ver bundene Längenänderung im Kraftfluß wird durch das Meßelement 43 erkannt und der Regelschaltung 40 zu rückgemeldet.If the control circuit is given an axial preload force as the target value 44 , the control circuit 40 compares this predetermined value with the actual value 45 measured on the measuring element 43 , which results from a superimposition of the external force on the system (external force) and the Bearing or the nut before existing clamping force is calculated. At the same time, the external force F ax is fed to the control circuit to determine the pure axial preload force. You will z. B. with the help of the length measuring elements 13 , 26 from FIGS. 1 and 2. If the actual value is below the target value, the control circuit causes the high voltage amplifier to apply an additional voltage to the piezo elements in the control element 42 . The associated change in length in the flow of force is detected by the measuring element 43 and reported to the control circuit 40 .
Der Sollwert 44 kann nun z. B. durch einen Rechner extern vorgegeben werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, den Sollwert 44 so zu variieren, daß die axiale Vorspannung, z. B. in einem Axiallager, der Bearbeitungsaufgabe der Maschine, in der dieses Lager eingebaut ist, angepaßt wird. So kann beispiels weise für eine Eilgangbewegung die Vorspannung völlig zurückgenommen werden, um erst wieder kurz vor Ein leitung der Brems- und Positionierbewegung zugeschal tet zu werden.The setpoint 44 can now z. B. can be specified externally by a computer. This results in the possibility of varying the setpoint 44 so that the axial preload, for. B. in a thrust bearing, the machining task of the machine in which this bearing is installed is adapted. For example, for a rapid traverse movement, the pretension can be completely removed so that the braking and positioning movement is only switched on again shortly before initiation.
Man kann natürlich auch nur mit dem Meßelement, das in unmittelbarer Nähe des Stellelements angebracht ist, auskommen. Hier muß dann allerdings die axiale Vorspannkraft vor dem Aufbringen der äußeren Last eingestellt werden, denn unter Last ist eine Nach regelung nicht möglich, da das Meßelement neben dem Spannelement nicht nur die vom Spannelement aufge brachte Vorspannkraft erfaßt sondern auch die axiale Komponente einer von außen auf das System wirkenden Kraft.You can of course only with the measuring element, the attached in the immediate vicinity of the control element is get along. Here, however, the axial Preload force before applying the external load can be set, because there is a night under load regulation not possible because the measuring element next to the Clamping element not only opened up by the clamping element brought preload force but also the axial Component of an external system Force.
Fig. 2 zeigt eine Doppelmutter 21 eines Kugelgewinde triebes mit einer Vorrichtung zur Erzeugung und Ver messung der axialen Vorspannung. Fig. 2 shows a double nut 21 of a ball screw drive with a device for generating and measuring the axial preload Ver.
Auf einer Kugelgewindespindel 20 ist eine Doppel mutter angeordnet. Die Doppelmutter 21 besteht aus zwei eigenständigen Kugelgewindemuttern 22 und 23. Die Kugelgewindemutter 22 verfügt über einen Monta geflansch, über den die Doppelmutter z. B. an einem zu bewegenden Maschinenschlitten befestigt wird. Zwi schen beiden Kugelgewindemuttern sind ein Stellele ment 24 und ein Meßelement 25 angeordnet. Das Stell element 24 entspricht hierbei dem Spannelement 23 aus Fig. 3, während das Meßelement 25 mit der Deck scheibe 30 (mit Dehnmeßstreifen 34), ebenfalls aus Fig. 3, vergleichbar ist. Auch hier führt eine Spannungsbeaufschlagung des Stellelementes zu des sen Längenveränderung in axialer Richtung, wodurch die beiden Doppelmutterhälften 22 und 23 in axialer Richtung auseinandergedrückt werden. Dadurch werden beide Muttern gegeneinander verspannt, womit sich die Steifigkeit der Kombination Kugelgewindespindel/ Doppelmutter erhöht. Die Größe der axialen Vorspan nung wird mit Hilfe des Meßelementes 25 erfaßt.On a ball screw 20 , a double nut is arranged. The double nut 21 consists of two independent ball screw nuts 22 and 23 . The ball screw nut 22 has a mounting flange through which the double nut z. B. is attached to a machine slide to be moved. Between the two ball screw nuts, a Stellele element 24 and a measuring element 25 are arranged. The actuating element 24 corresponds to the clamping element 23 from FIG. 3, while the measuring element 25 with the cover disk 30 (with strain gauges 34 ), also from FIG. 3, is comparable. Here, too, a voltage application of the actuating element leads to the change in length in the axial direction, as a result of which the two double nut halves 22 and 23 are pressed apart in the axial direction. As a result, both nuts are braced against each other, which increases the rigidity of the ball screw / double nut combination. The size of the axial preload voltage is detected with the help of the measuring element 25 .
Die Doppelmutter 21 kann über ein Längenmeßelement 26 an dem die Doppelmutter tragenden Maschinenteil 27 befestigt sein. Auch hier dient das Längenmeß element 26 der Erfassung der äußeren Kraft, die zwi schen der Doppelmutter 21 und dem Maschinenteil 27 ansteht. The double nut 21 can be attached via a length measuring element 26 to the machine part 27 carrying the double nut. Here, too, the length measuring element 26 serves to detect the external force that is present between the double nut 21 and the machine part 27 .
Fig. 5 zeigt eine geschlitzte Einzelmutter mit einer Vorrichtung zur Entlastung der axialen Vor spannung. Die Einzelmutter setzt sich dabei aus einem Kugelmutterkörper 50, einem Montageflansch 51 und einem quaderförmigen Spannelement 52 mit seinen Lagerschalen 53 zusammen. Der Kugelmutterkörper 50 mit seinem innen liegenden Kugelgewinde ist nun so gefertigt, daß er auf die Kugelgewindespindel gesetzt ein "negatives" Spiel aufweist. Das heißt, er ist von Hause aus auf maximale axiale und radiale Vor spannung eingestellt. Diese radiale Vorspannung kann nun durch das spielfrei in einen Spalt 54 ein gesetzte, quaderförmige Spannelement, das sich beid seits über die Druckschalen 53 im Spalt abstützt, aufgeweitet werden. Diese Aufweitung erfolgt durch eine in Umfangsrichtung des Kugelmutterkörpers 50 wirkende Längendehnung des Spannelements bei Span nungsbeaufschlagung. Die damit verbundene Aufweitung des Kugelmutterkörpers 50 läßt Spiel zwischen der eingesetzten Kugelgewindespindel mit Kugeln (hier nicht dargestellt) und der Kugelgewindemutter ent stehen. Fig. 5 shows a slotted single nut with a device for relieving the axial tension before. The single nut is composed of a ball nut body 50 , a mounting flange 51 and a cuboid clamping element 52 with its bearing shells 53 . The ball nut body 50 with its internal ball screw is now made so that it has a "negative" play when placed on the ball screw. This means that it is set to maximum axial and radial preload by default. This radial pretension can now be widened by the set-free, cuboidal clamping element in a gap 54 , which is supported on both sides via the pressure shells 53 in the gap. This expansion is carried out by a longitudinal expansion of the clamping element acting in the circumferential direction of the ball nut body 50 when voltage is applied. The associated expansion of the ball nut body 50 allows play between the inserted ball screw with balls (not shown here) and the ball screw ent.
Diese einfach aufgebaute und billig herzustellende Einzelmutter ist besonders für den Einsatzfall ge dacht, bei dem im allgemeinen weitgehend gleiche axiale Belastungen vorliegen. Für diesen Betriebs punkt wird die Vorspannung fertigungstechnisch fest gelegt. Für den Eilgang innerhalb der Maschine wird dann die Mutter über das Spannelement von der Vor spannung befreit, wodurch die Mutter mit etwas Spiel leichtgängig bewegbar wird. Somit kann man gerade im Eilgang unnötigen Verschleiß aufgrund einer Herab setzung der reibungsbedingten Erwärmung vermeiden.This simple and cheap to manufacture Single nut is particularly suitable for the application thought, in general, largely the same there are axial loads. For this operating point, the preload becomes firm in terms of production technology placed. For rapid traverse within the machine then the nut over the tensioning element from the front relieves tension, leaving the mother with some play is easy to move. So you can just in Rapid traverse unnecessary wear due to a descent Avoid setting the frictional warming.
Claims (16)
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Applications Claiming Priority (1)
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Family Applications (1)
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