DE3937997A1 - Kugelumlaufspindel - Google Patents
KugelumlaufspindelInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Kugelumlaufspindel, bei der sich
eine rotierende und geradlinige Bewegungen gegenseitig be
dingen, und im besonderen die Verbesserung einer Kugelum
laufspindel mit einer verlängerten Spindelwelle.
Eine Kugelumlaufspindel ist eine allgemein bekannte und oft
benutzte Vorrichtung, um eine Kraft, die in Form von rotie
renden Bewegungen durch einen Motor oder ähnliche Einrich
tungen erzeugt wird, in eine geradlinige Bewegung umzuwan
deln. Beispiele dafür sind der Vorschub eines Werkstückes
auf einer Werkzeugmaschine oder die Bewegung eines Tisches
in einer automatischen Produktionslinie.
Die typischen Bestandteile einer Kugelumlaufspindel sind:
ein Spindelschaft, dessen Oberfläche mit schraubenförmigen
Rollnuten versehen ist, eine Mutter mit einem endlosen Um
laufweg, der aus einem belasteten Bereich, welcher durch be
lastete Rollnuten gebildet wird, die in Eingriff stehen mit
den schraubenförmigen Rollnuten, und aus einem nicht bela
steten Bereich besteht, der beide Enden dieses belasteten
Bereichs miteinander verbindet, wobei sich die Mutter auf
dem Spindelschaft entsprechend der Rotation des Spindel
schaftes bewegt, und eine Vielzahl von Kugeln, die als Lager
zwischen den Rollnuten der Mutter und des Spindelschaftes
dienen, wobei sie in dem endlosen Umlauf zirkulieren.
Eine typische Kugelumlaufspindel entsprechend dem Stand der
Technik wird in Fig. 8 dargestellt. Beide Enden des Spin
delschaftes c sind drehbar unterstützt durch die Lager b,
die auf einer festen Unterlage a angeordnet sind. Eine Mut
ter d ist mit einem Werkstück oder einem Tisch e verbunden,
und die rotierenden Bewegungen des Spindelschaftes c werden,
wenn eine Kraft von einem Motor f auf sie übertragen wird,
in eine geradlinige Bewegung des Werkstückes oder des Ti
sches e umgesetzt.
Beim Vorschub eines Werkstückes oder Tisches mittels einer
Kugelumlaufspindel ist unter Umständen ein größerer Weg für
die Bewegung der Mutter erforderlich. Die Kugelspindel hat
daher eine gewisse Längenausdehnung. Sie muß jedoch an zwei
Punkten an ihren axialen Enden gehaltert werden, und das be
wirkt, daß bei einer entsprechenden Ausdehnung ein Durchbie
gen der Spindelwelle infolge ihres Gewichts auftritt. Daher
treten Probleme auf, die ihren Ursprung in der Ausdehnung
der Spindelwelle haben:
- 1) Das Werkstück oder der Tisch, die sich in Eingriff mit der Mutter befinden, sind so gehaltert, daß sie nur in einer Bewegungsrichtung durch einen geradlinigen Füh rungsmechanismus bewegbar sind, der getrennt von der Ku gelumlaufspindel angeordnet ist. Sie sind so ausgebildet, daß keine radiale Belastung auf die Kugelumlaufspindel ausgeübt wird. Biegt sich die Spindelwelle durch, so kommt es zu einer radialen Belastung der Mutter. Die Folge ist eine Verkürzung der Lebensdauer der Kugelum laufspindel, aufgrund der Belastung im Inneren der Mut ter.
- 2) Beim Rotieren der Spindelwelle wirkt periodisch die Last in Durchbiegerichtung auf die Enden der Welle ein, dabei kommt es zur Reduzierung der Lebensdauer der Welle in folge Metallermüdung und zu axialen Schwingungen während der Umdrehungen.
- 3) Die Durchbiegungen verursachen einen Fehler in der Ge samtführung der Spindelwelle, so daß die Mutter nicht mehr mit hoher Genauigkeit bewegt werden kann.
Unter solchen Umständen ist es sehr wichtig, Durchbiegungen
infolge der Spindelwellenausdehnung zu vermeiden, um die Ge
nauigkeit und Lebensdauer der Kugelumlaufspindel zu erhöhen,
und es wurden mehrere technische Vorschläge dazu gemacht.
Eine bekannte Kugelumlaufspindel (Fig. 7) hat folgende
Struktur:
Unterstützungspfosten g sind an dafür vorgesehenen Stellen
unterhalb der Spindelwelle c angeordnet. Sie befinden sich
so im Eingriff mit der Spindelwelle c, daß sie durch eine
Schaltoperation nach unten absenkbar sind. Ein Führungsarm
h, der in beide Bewegungsrichtungen der Mutter herausragt,
betätigt einen Grenzschalter i, um das Anliegen oder Absen
ken der Stützpfosten bezüglich der Spindelwelle c zu
steuern. Die Stützpfosten g werden von der Spindelwelle c,
kurz bevor die Mutter d die unterstützten Teile der Spindel
welle c erreicht, abgesenkt. Dadurch kann die Mutter d über
die Trägerpfosten hinweggehen. Mittels der beschriebenen
Vorrichtung werden Durchbiegungen, die durch die Ausdehnung
der Spindelwelle c verursacht werden, verhindert.
In einer anderen bekannten Ausführungsform der Kugelumlauf
spindel ist ein Führungsmechanismus zur geradlinigen Bewe
gung auf einer Halterung unter der Spindelwelle angeordnet.
Dabei wirkt die radiale Belastung infolge des Durchbiegens
der Spindelwelle nicht auf die Mutter ein, da die Mutter auf
ihrer Unterseite von einer Gleitschiene des Führungsmecha
nismus zur geradlinigen Bewegung unterstützt wird.
Die beschriebenen Kugelumlaufspindeln haben folgende Nach
teile. Der Raum, wo Unterstützungsstellen für die Spindel
welle angeordnet werden können, ist beschränkt, und daher
können die oben genannten Probleme nicht völlig gelöst wer
den. Die Stützpfosten müssen abgesenkt werden von der Spin
delwelle, wenn die Mutter diese Stellen passiert, so daß
Verbiegungen der Spindelwelle über den gesamten Bereich der
Längsrichtung nicht verhindert werden können. Die Durchbie
gungen sind, obwohl geringfügig, immer noch in den sich be
wegenden Teilen der Mutter wirksam, und damit sind die oben
genannten Probleme noch nicht völlig beseitigt. Außerdem er
fordert eine derartige Kugelumlaufspindel einen komplizier
ten Mechanismus, bei dem die Stützpfosten zusammen mit der
Betätigung des Schalters an die Spindelwelle herangeführt
und abgesenkt werden. Die Vorrichtung ist daher sehr ar
beits- und kostenaufwendig. Bei der zuletzt genannten Aus
führungsform einer Kugelumlaufspindel treten zwar keine Pro
bleme in der Belastung der Mutter infolge Durchbiegungen der
Spindelwelle auf, da die Mutter von allen Seiten unterstützt
wird, in der Spindelwelle werden jedoch, anders als bei den
sich bewegenden Teilen der Mutter, noch Teile dem Durchbie
gen ausgesetzt. Somit bleiben die Probleme, die sich aus der
periodischen Lasteinwirkung auf die Enden der Spindelwelle
und dem Fehler in der Gesamtführung ergeben, noch ungelöst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach kon
struierte Kugelumlaufspindel zur Verfügung zu stellen, bei
der die Lebensdauer und Führungsgenauigkeit durch das Ver
hindern von gewichtsbedingten Durchbiegungen infolge Verlän
gerung der Spindelwelle, bedeutend erhöht wird.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruches
gelöst.
Auf der Basis der im Anspruch dargestellten technischen Ein
richtungen können die Ausführungen der Lager und die Gestalt
der Stützpfosten von Fall zu Fall verändert werden, voraus
gesetzt, die Stützpfosten weisen Lager auf, die ringförmig
an die unterstützten Teile der Spindelwelle angepaßt sind,
um diese Teile drehbar zu unterstützen. Gleichfalls können
die Stellen, an denen die Stützpfosten angeordnet sind,
zweckmäßig variiert werden, um die Geradheit der Spindel
welle zu gewährleisten.
Die Länge und Führung der Kugelumlaufspindel können entspre
chend den Erfordernissen, die sich aus der Größe des Vor
schubs und der Geschwindigkeit der Mutter ergeben, adäquat
verändert werden. Bevorzugt ist jedoch, daß der Kerndurch
messer zwischen den Rollnuten, die an der Außenseite der
Spindelwelle ausgebildet sind, gleich dem Außendurchmesser
des Lagergliedes ist, so daß die Kugeln, die zwischen den
belasteten Rollnuten der Mutter und den Rollnuten der Spin
delwelle laufen, glatt über den äußeren Umfang der Lager
glieder der Stützpfosten laufen können und ein Austreten der
Kugeln aus dem belasteten Bereich effektiv verhindert werden
kann.
Die Weite der in der Mutter ausgebildeten Öffnung, kann
adäquat entsprechend der Stützpfostengröße variiert werden.
Gleichfalls kann die Zahl der endlosen Trajektoren entspre
chend den Erfordernissen der axialen Schubkraft der Mutter
und der Struktur eines Schlittens verändert werden. Insbe
sondere ist es erforderlich, daß der Bereich, der durch die
belasteten Rollnuten gebildet wird, d. h. die axiale Länge
des belasteten Bereichs größer ist als die axiale Länge des
Lagergliedes, um nicht an axialer Schubkraft einzubüßen,
wenn die Mutter über den äußeren Umfang des Stützpfostenla
gergliedes gleitet, auf dem die Rollnut nicht fortgesetzt
wird. Die axiale Ausdehnung des belasteten Bereichs sollte
vorzugsweise mindestens das Doppelte der axialen Ausdehnung
des Lagergliedes betragen.
Bei der so konstruierten erfindungsgemäßen Kugelumlaufspin
del wirkt die an der Unterseite der Mutter ausgebildete Öff
nung als Durchgangsweg für die Stützpfosten, wenn sich die
Mutter bewegt. Die axiale Ausdehnung des Belastungsbereiches
der Mutter ist größer als die axiale Ausdehnung des unter
stützten Teils der Spindelwelle, dabei wird keine Schubkraft
verloren, auch wenn die Mutter über die unterstützten Teile,
die nicht mit Rollnuten versehen sind, gleitet. Im Ergebnis
ist die Mutter über die gesamte Ausdehnung der Spindelwelle
beweglich, auch in dem Falle, daß die Spindelwelle unverän
derlich durch die Stützpfosten unterstützt wird. Dadurch
wird das Problem beseitigt, daß sich aus der gewichtsbeding
ten Durchbiegung der Spindelwelle infolge ihrer Längsausdeh
nung ergibt. Erfindungsgemäß kann eine hohe Genauigkeit der
Bewegung der Mutter und eine Erhöhung der Lebensdauer der
Vorrichtung erreicht werden, da die Führungsgenauigkeit ge
währleistet wird und eine radiale Belastung der Mutter und
periodische Belastungen der Enden der Spindelwelle verhin
dert werden.
Die Mutter ist bewegbar über die Gesamtlänge der Spindel
welle, die an den Stützpfosten mit einer einfachen Konstruk
tion unterstützt wird, die die Montage erleichtert und die
Kosten senkt.
Die erfindungsgemäße Kugelumlaufspindel ermöglicht eine
Spindelwellenausdehnung ohne eine Ankopplung an Lagerglieder
von Stützpfosten. Die Mutter kann über eine Verbindung von
zwei Spindelwellenstücken bewegt werden und daher kann prak
tischerweise eine extrem lange Kugelumlaufspindel konstru
iert werden.
Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnungen näher
beschrieben werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausfüh
rungsform der erfindungsgemäßen Kugelumlaufspindel,
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt der ersten Ausfüh
rungsform der Kugelumlaufspindel,
Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie A-A von Fig.
1,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung zur Montage des
Lagergliedes eines Stützpfostens an eine Spindel
welle,
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung zur Montage des
endlosen Kugelumlaufes und des Aufbaus einer Mut
ter,
Fig. 6 eine schematische Darstellung der Kugelumlaufspin
del im Betriebszustand,
Fig. 7 eine schematische Darstellung zur Unterstützung der
Spindelwelle entsprechend einer Ausführungsform im
Stand der Technik und
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer üblichen Kugel
umlaufspindel entsprechend dem Stand der Technik.
Gemäß Fig. 1 weist die eine erste Ausführungsform der er
findungsgemäßen Kugelumlaufspindel folgende Bestandteile
auf: Stützpfosten 3, die an geeigneten Stellen angeordnet
und an einer mechanischen Vorrichtung 1 mittels einer Befe
stigungseinrichtung oder Befestigungsbolzen 2 befestigt
sind; eine Spindelwelle 4, die drehbar von den Stützpfosten
3 unterstützt wird, und durch einen Schrittmotor oder einen
Servomotor in Umdrehung versetzt wird; ein Mutterkörper 5,
der an einem Tisch oder einem Schlitten T befestigt ist, um
den Schlitten T entsprechend der Umdrehungen der Spindel
welle 4 vorzuschieben; ein Paar seitliche Platten 6, die mit
beiden Seitenflächen des Mutterkörpers 5 in Eingriff stehen;
ein Paar untere Platten, die mit der Unterfläche des Mutter
körpers 5 in Eingriff stehen; und mehrere Kugeln 8, um die
axialen Kraftkomponenten, die durch die Umdrehungen der
Spindelwelle 4 erzeugt werden, auf den Mutterkörper 5 zu
übertragen und eine Schubkraft zu erzeugen, wobei die Kugeln
in dem endlosen Umlauf der im Mutterkörper 5 ausgebildet
ist, kreisen.
Das Kopfteil des Stützpfostens 3 ist als Lagerglied mit
einem Gleitlager zur drehbaren Unterstützung eines Teiles 41
der Spindelwelle 4 ausgebildet. Der Fuß des Stützpfostens 3
dient dagegen als Befestigungsglied 31 auf einer Befesti
gungseinheit 1 z. B. einer mechanischen Vorrichtung. Das Be
festigungsglied 31 weist durchgehende Löcher 35 auf, die das
Befestigungsglied 31 mit der Befestigungseinheit 1 verbin
den. Das Lagerglied besteht aus einem Lagermetall 32, das
zweiseitig an das unterstützte Teil 41 der Spindelwelle 4
angepaßt ist, und einer Schelle 33, die die äußere Fläche
des Lagermetalls 33 bedeckt. Durch Befestigen der Schelle 33
am Stützpfostenkörper 3 mittels eines Bolzens 34 wird die
Spindelwelle 4 drehbar durch das Lagermetall 32 gehaltert.
Die unterstützten Teile 41 der Spindelwelle, die dieselbe
Ausdehnung haben wie das Lagermetall 32, sind in demselben
Abstand ausgebildet, wie der, in dem die Stützpfosten 3 an
geordnet sind. Alle anderen Teile als die unterstützten
Teile 41 der Spindelwelle sind in fortlaufender Linienfüh
rung mit schraubenförmigen Rollnuten 42 bedeckt, wobei der
Krümmungsradius der Nuten etwas größer als der Radius der
Kugeln 8 ist, um ein Abrollen der Kugeln 8 zu gewährleisten.
Der Kerndurchmesser der Rollnuten 42 ist gleich dem Außen
durchmesser des Stützpfostens 3, genauer gesagt dem Außen
durchmesser der Schelle 33. Die Rollnuten 42 sind so ausge
bildet, daß die Kugeln, die entlang der Rollnuten 42 rollen,
glatt über den unterstützten Teil 41 hinweglaufen können,
ohne aus dem belasteten Bereich 55, der im Mutterkörper 5
ausgebildet ist, herauszufallen.
Der Mutterkörper 5 ist mit einer durchgehenden Öffnung 51
versehen, durch welche die Spindelwelle 4 hindurchläuft, und
weist ferner eine Öffnung 52 auf, durch welche die Stützpfo
sten, die die Spindelwelle 4 tragen, hindurchpassen. Der
Mutterkörper 5 kann als rechteckiger Block mit einem im we
sentlichen C-förmigen Querschnitt ausgebildet sein. Eine in
nere Wandfläche der durchgehenden Öffnung 51 ist krummlinig
fortgesetzt mit vier Streifen von belasteten Rollnuten 53
versehen, die den Rollnuten 42 der Spindelwelle gegenüber
stehen, wobei die Rollnuten 53 einen größeren Krümmungsra
dius als die Kugeln 8 aufweisen. Der belastete Bereich 55
mit den belasteten Rollnuten 53 weist eine axiale Ausdehnung
auf, die ungefähr dreimal so groß ist, wie die des Lager
gliedes des Stützpfostens 3. Dadurch wird verhindert, daß
die axiale Schubkraft stark nachläßt, wenn der Mutterkörper
5 über die äußere Oberfläche des Lagergliedes 41 ohne Roll
nuten läuft. Oberhalb der durchgehenden Öffnung 51 sind in
Positionen, die den vier Streifen der belasteten Rollnuten
53 entsprechen, vier Streifen von nicht belasteten Rollril
len 54 angeordnet, die eine zur durchgehenden Öffnung 51
orthogonale Komponente des endlosen Umlaufes darstellen. Die
Öffnungen an beiden Enden der nicht belasteten Rollrillen 54
sind nach unten abgerundet, um eine glatte Zirkulation der
Kugeln zu gewährleisten. In Montierlöcher 56 werden Mon
tierbolzen eingeführt, um einen Schlitten auf der Mutter zu
befestigen.
Jede der seitlichen Platten 6 sind, wie in Fig. 5 darge
stellt ist, mit vier Streifen von nicht belasteten Rollnuten
61 versehen, die ein Bestandteil des endlosen Kugelumlaufs
sind. Am oberen Ende jeder nicht belasteten Rollnut 61 ist
eine Führungsklinke 62 angeordnet, um einen glatten Übergang
für die Kugeln zwischen den nicht belasteten Rillen 54 und
den Rollnuten 61 zu gewährleisten. In einem Paar unterer
Platten 7 werden vier Streifen von Kugelumlaufnuten 71 fort
gesetzt, um die Kugeln 8 in den belasteten Bereich des Mut
terkörpers 5 ein- und auszuleiten. Die seitlichen Platten 6
und die unteren Platten 7 sind am Mutterkörper 5 mit Maschi
nenschrauben 9 befestigt, wobei die nichtbelasteten Rollnu
ten 61 und die Kugelumlaufnuten 71 mit den Seiten- und
Unterflächen des Mutterkörpers 5 verbunden sind, um einen
Teil des nicht belasteten Umlaufbereichs auszubilden. Auf
diese Weise wird ein endloser Kugelumlauf erzeugt, wobei
beide Enden der belasteten Rollnuten 53 des Mutterkörpers 5
mit den beiden Enden der nicht belasteten Rollrinnen 54 ver
bunden sind.
Die erfindungsgemäße Kugelumlaufspindel kann in folgender
Konstruktion zum Einsatz kommen. Das axiale Ende der Spindel
welle 4 ist, wie in Fig. 6 gezeigt wird,
über eine Wellenkupplung mit dem Motor M verbunden.
Auf der oberen Fläche des Mutterkörpers 5 ist ein Schlitten
T befestigt, der durch einen Geradeausführungsmechanismus
gehaltert und geführt wird. Die Umdrehungen, die dem Maß der
geradlinigen Bewegungen des Schlittens T entsprechen, werden
über den Motor auf die Spindelwelle 4 übertragen. Dabei
schiebt sich der Mutterkörper 5 entlang der Spindelwelle 4
vorwärts und bewegt gleichfalls den Schlitten T um einen
vorbestimmten Betrag.
Die Anzahl der Stützpfosten 3 richtet sich nach den Erfor
dernissen der Länge der Spindelwelle 4. Der Mutterkörper 5
kann in Abhängigkeit von seiner Struktur unabhängig von der
Anordnung der Stützpfosten 3 über die gesamte Länge der
Spindelwelle bewegt werden.
Mittels der erfindungsgemäßen Kugelumlaufspindel kann ein
Fehler in der Führung, der durch Durchbiegungen der Spindel
welle 4 und radiale Belastungen des Mutterkörpers 5 verur
sacht wird, vermieden werden, und es können Bewegungen mit
hoher Genauigkeit und auch eine erhöhte Lebensdauer erreicht
werden.
Claims (1)
- Kugelumlaufspindel mit einer Mutter (5), Stützpfosten (3), die mit Lagergliedern (32, 33) an ihren oberen Enden verse hen und an dafür geeigneten Orten angeordnet sind, und einer Spindelwelle (4), die unterstützte Teile (41) aufweist, die an den Lagergliedern (32, 33) der Stützpfosten (3) drehbar unterstützt sind, wobei die Spindelwelle in ihrer Qberfläche fortlaufend schraubenförmige Kugelrollnuten (42) aufweist, und in der Mutter (5) ein endloser Kugelumlauf vorgesehen ist, der aus einem belasteten Bereich mit belasteten Rollnu ten (53), die den schraubenförmigen Rollnuten (42) gegen überstehen, und einem nichtbelasteten Bereich, der beide Enden des belasteten Bereichs miteinander verbindet, be steht, und wobei mehrere Kugeln (8) innerhalb des endlosen Umlaufes zirkulieren und die Kraft von den Rollennuten der Spindelwelle (42) auf die belasteten Rollennuten der Mutter (53) übertragen und so die Mutter (5) entsprechend den Um drehungen der Spindelwelle (4) vorwärtsbewegen, und wobei
- a) die Mutter (5) an ihrer Unterseite mit einer Öffnung (52) versehen ist, durch welche die Stützpfosten (3) hindurch gehen,
- b) der Kerndurchmesser der schraubenförmigen Kugelrollnuten (42) im wesentlichen die gleiche Ausdehnung hat wie der Außendurchmesser der Lagerglieder (32, 33), und
- c) die Ausdehnung der Mutter (5) in axialer Richtung des be lasteten Bereiches größer als die der Lagerglieder (32, 33) in axialer Richtung ist.
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