DE3937997A1 - Kugelumlaufspindel - Google Patents

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)

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.