DE4227599C2 - Längsführung mit einer Wälzkörperumlauflagerung - Google Patents

Längsführung mit einer Wälzkörperumlauflagerung

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Description

Die Erfindung befaßt sich mit einer Längsführung mit einer Wälzkörperumlauflagerung (lineares Bewegungslager) für eine gleichförmige Belastung in vier Richtungen, die für ein zu bewegendes Element, beispielsweise eines Bearbeitungszentrums oder einer Schlittenanordnung einer Werkzeugmaschine, und auch bei einer Transportvorrichtung zum hin- und hergehenden Tragen eines schweren Gegenstandes eingesetzt wird.
Die DE-C-33 33 795 zeigt eine Längsführung mit einer Wälzkörperum­ lauflagerung, bei der zwei separate Führungsschienen durch jeweilige Befestigungsschrauben an einem Maschinenteil oder einem Bett befestigt werden. Auf jeder der Führungsschienen ist ein Lagerkörper vorgesehen, der durch Kugeln in Längsrichtung beweglich auf der jeweiligen Führungsschiene geführt ist. Die Flächen der Führungsschiene weisen Kugellaufrillen mit halbkreisförmigem Querschnitt auf. Entsprechende Nuten sind im Lagerkörper vorgesehen. Die beiden parallelen Lagerkörper sind an einem gemeinsamen Aufspanntisch mit jeweils zwei Schraubenreihen befestigt. Zwischen dem Lagerkörper und dem Aufspanntisch sind Unterlegplatten vorgesehen, durch die beim Anziehen der Schrauben z. B. die Seitenwange des Lagerkörpers geschwenkt wird, wodurch eine Vorspannung auf jedes Lager aufgebracht wird.
Ein weiteres Beispiel einer herkömmlichen Längsführung ist mit den in den Merkmalegruppen (a) bis (c) des Anspruchs 1 genannten Merkmalen in der DE-A-30 05 579 zu finden. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kugellagereinheit bereitzustellen, die ein genaues Einstellen eines Spiels ermöglicht und Höhenänderungen Rechnung trägt, die durch Aufbringen bzw. Einwirken einer Last verursacht werden.
Bei den bekannten Linearführungen ist der Abstand zwischen den Kugeln, die an den gegenüberliegenden Seiten der Führungsschiene liegen, groß, so daß ein Mittelteil des horizontalen Abschnitts des Schlittens sich leicht nach unten verformen kann.
Die Erfindung zielt darauf ab, ein lineares Bewegungslager bereitzustellen, das auch bei größeren Breiten eine extrem große Steifigkeit gegenüber dem Belastungsmoment aufweist. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Nach der Erfindung wird der horizontale Abschnitt des Lagerkörpers in Richtung nach oben durch die reihenartige Anordnung der Kugeln abgestützt, die sich auf den zwei oder mehr Kugel-Wälzflächen abwälzen, die nach unten weisen und in der Nähe des Mittelteils der inneren Seite vorgesehen sind, so daß das Mittelteil des horizontalen Abschnittes durch eine Belastung nicht nach unten ausgelenkt bzw. verformt wird. Beim erfindungsgemäßen linearen Bewegungslager, ist es daher möglich, in positiver Weise die Breiten des Lagerkörpers und der Führungsschiene größer zu machen, wodurch sich das Leistungsvermögen und die Steifigkeit gegenüber einem Belastungsmoment des Lagers beträchtlich verbessern läßt.
Da das Mittelteil des horizontalen Abschnitts des Lagerkörpers nicht nach unten verformt wird, läßt sich die Dicke des horizontalen Abschnitts des Lagerkörpers im Vergleich zu bekannten linearen Bewegungslagern reduzieren. Somit läßt sich die Höhe des Lagers insgesamt verkleinern.
Da das Mittelteil des horizontalen Abschnitts des Lagerkörpers sich nicht nach unten verformt, wenn eine Belastung einwirkt, verbiegen sich die Randabschnitte des Lagerkörpers nicht nach außen und daher läßt sich die große Steifigkeit gegenüber der Belastung in jeglicher Richtung einhalten.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben.
Darin zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht zur Verdeutlichung einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines linearen Bewegungslagers nach der Erfindung,
Fig. 2 eine Draufsicht auf ein lineares Bewegungslager nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 eine Schnittansicht zur Verdeutlichung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines linearen Bewegungslagers nach der Erfindung,
Fig. 4 eine Draufsicht auf ein lineares Bewegungslager gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung, und
Fig. 5 eine Ansicht zur Verdeutlichung der Verteilung einer Reaktionskraft und der Verformung eines Lagerkörpers, wenn Belastungen in verschiedenen Richtungen auf das lineare Bewegungslager gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform einwirken.
Das lineare Bewegungslager gemäß den Fig. 1 und 2 wird von einer Führungsschiene 20 gebildet, die fest mit einer Bezugsfläche mit Hilfe von nicht dargestellten Befestigungsschrauben in mehreren Reihen verbunden ist, sowie von einem Lagerkörper 10, der auf der Führungsschiene angeordnet ist, und mit einer großen Anzahl Kugeln 30, die zwischen dem Lagerkörper 10 und der Führungsschiene 20 angeordnet sind, und dazu dienen, den Lagerkörper 10 in einer axialen Richtung zu der Führungsschiene 20 (senkrecht zur Zeichenebene in Fig. 1) wälzgelagert beweglich zu führen.
Die Führungsschiene 20 hat im Vergleich zu ihrer Höhe eine größere Breite. Die Führungsschiene ist an jeder Seitenfläche mit einer Kugel-Wälzfläche 21 versehen, die axial verläuft und nach unten weist. Ferner ist sie auch in der Nähe des Mittelteils der oberen Fläche mit zwei Kugel-Wälzflächen 22 versehen, die axial verlaufen und nach oben weisen. Diese nach unten und oben gerichteten Kugel-Wälzflächen 21 und 22 sind in Querrichtung symmetrisch zueinander bezüglich eines Schnittes C-C angeordnet, der die Mittelachse der Führungsschiene 20 enthält. Bei dieser ersten bevorzugten Ausführungsform ist ein Abstand L1 zwischen der Kugel- Wälzfläche 21 und dem Schnitt C-C etwa doppelt so groß wie ein Abstand L2 zwischen der nach oben weisenden Kugel-Wälzfläche 22 und dem Schnitt C-C. Jede Kugel-Wälzfläche 21 und 22 bildet eine einzige, bogenförmige Ausnehmung, die einen Krümmungsradius hat, der etwa gleich einem Krümmungsradius der Kugel 30 ist. Mit dem Bezugszeichen 23 werden Befestigungsöffnungen bezeichnet, durch die sich Befestigungsschrauben einsetzen lassen.
Der Lagerkörper 10 wird von einem Lagerblock 11, der aus Metall hergestellt ist, und einem Paar von Endkappen 12 gebildet, die aus Kunststoff hergestellt sind und an den gegenüberliegenden Endflächen des Blockes 11 fest angebracht sind. Der Lagerblock 11 ist U-förmig und umfaßt einen horizontalen Abschnitt 11a und ein Paar von Randabschnitten 11b, die von den gegenüberliegenden Seitenrändern des Abschnitts 11a nach unten verlaufen. Ferner hat er auch eine Ausnehmung 11c, die über der Führungsschiene 20 liegt und komplementär zu der Gestalt der Schiene 20 ausgebildet ist. Jeder Randabschnitt 11b ist an seiner inneren Seite mit einer nach oben weisenden Kugel-Wälzfläche 13 versehen, die der nach unten weisenden Kugel-Wälzfläche 21 auf der Führungsschiene 20 zugewandt ist. Der horizontale Abschnitt 11a ist in der Nähe des Mittelteils der inneren Seite mit zwei Kugel-Wälzflächen 14 versehen, die in Richtung auf die nach unten weisenden Kugel-Wälzflächen 22 der Führungsschiene 20 weisen. Diese Kugel-Wälzflächen 13 und 14 bilden einzelne, bogenförmige Ausnehmungen ähnlich wie die Kugel-Wälzflächen 21 und 22 der Führungsschiene 20.
Die zugeordneten Kugel-Wälzflächen 13 und 14 sind in Querrichtung symmetrisch bezüglich des Schnitts C-C angeordnet, der die Mittelachse des Lagerblocks 11 enthält. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist ein Abschnitt L1 zwischen der nach oben gerichteten Kugel-Wälzfläche 13 des Randabschnitts 11b und des Schnitts C-C etwa doppelt so groß als ein Abschnitt L2 zwischen der nach unten weisenden Kugel-Wälzfläche 14 des horizontalen Abschnitte 11a und des Schnitts C-C. Dieser Zusammenhang von L1 = 2 . L2 wird bestimmt, um die Verformung bzw. Auslenkung des horizontalen Abschnitts 11a nach unten so klein wie möglich zu machen, wenn eine nach unten wirkende Belastung auf den Lagerblock 11 einwirkt. Diese Festlegung erfolgt aufgrund von mechanischen Berechnungen, bei denen der horizontale Abschnitt als ein an beiden Enden abgestützter Balken angenommen wird.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist nur eine Kugel-Wälzfläche 13, die nach oben weist, an dem Randabschnitt 11b des Lagerblocks 11 ausgebildet, und die nach unten weisenden Kugel-Wälzflächen 14 sind in der Nähe des Mittelteils des horizontalen Abschnittes 11a ausgebildet. Selbst wenn daher die Länge des Randabschnitts 11b kurz bemessen ist, behindern die Kugeln 30, die sich auf der nach oben weisenden Kugel-Wälzfläche 13 abwälzen nicht die Kugeln 30, die sich auf der nach unten weisenden Kugel-Wälzfläche 14 abwälzen. Folglich lassen sich die Höhen des Lagerblocks 11 und somit des Lagerkörpers 10 kleiner machen.
Die nach oben weisende Kugel-Wälzfläche 13 des Randabschnitts 11b schließt etwa einen Winkel von 45° zur Horizontalen ein. Ebenso schließt die nach unten weisende Kugel-Wälzfläche 14 des horizontalen Abschnittes 11a etwa einen Winkel von 45° zur horizontalen Richtung ein.
Somit kann das lineare Bewegungslager gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform die Belastung gleichmäßig in vertikaler und horizontaler Richtung tragen. Vorausgesetzt, daß die Neigung der jeweiligen Kugel-Wälzflächen 13 und 14 zur Horizontalen in einem Bereich von 45° ± 10° liegt, kann das lineare Bewegungslager die Belastung im wesentlichen gleichförmig in den vier Richtungen tragen.
Kugelrückführbohrungen 15, die den Kugel-Wälzflächen 13 und 14 zugeordnet sind, durchsetzen in axialer Richtung die massiven Teile der Randabschnitte 11b und des horizontalen Randabschnittes 11a. Die gegenüberliegenden Enden jeder Kugelaustrittsöffnung 15 sind in den Enden der zugeordneten Kugel-Wälzflächen über Kugelrücklaufnuten bzw. Kugelrücklaufkanäle (nicht gezeigt) verbunden, so daß die Kugeln 30 endlos über die Kugel-Wälzflächen und die Kugelrückführbohrungen 16 laufen.
Kugelhalter 40, 41 und 42, die von Stahlplatten gebildet werden, sind an den Enden der inneren Flächen der Randabschnitte 11b und der unteren Fläche des horizontalen Randabschnittes 11a des Lagerblocks 11 vorgesehen, so daß ein Herausfallen der Kugeln 30 verhindert werden kann, wenn der Lagerkörper 10 von der Führungsschiene 20 abgenommen wird. Diese Halter 40, 41 und 42 sind fest mit dem Lagerblock 11 beispielsweise mit Hilfe von Schrauben verbunden.
Der horizontale Abschnitt 11a des Lagerblocks 11 ist an den gegenüberliegenden Seitenteilen und am Mittelteil mit Befestigungsflächen 17 und 18 zum Anbringen eines Aufbaus oder Tisches versehen. Die Montagefläche 17 an jeder Seite ist mit zwei Befestigungsöffnungen 16 versehen. Somit läßt sich der Tisch an dem Lagerkörper 10 mit Hilfe von vier Schrauben festlegen. Bei der Erfindung ist es nicht erforderlich, eine Befestigungsöffnung im Mittelteil der Befestigungsfläche 18 des horizontalen Abschnittes 11a vorzusehen. Der horizontale Abschnitt 11a wird von der Unter­ seite mittels Kugeln 30 abgestützt, die zwischen den nach oben weisenden Kugel-Wälzflächen 22 der Führungsschiene 20 und den nach unten weisenden Kugel-Wälzflächen 14 des horizontalen Abschnittes 11a sich abwälzen. Hierdurch erhält man eine Konstruktion, die die Fähigkeit hat, daß Verformungen bzw. Auslenkungen des Mittelteils des horizontalen Abschnittes 11a verhindert oder wesentlich vermindert werden. Da bei der dargestellten Ausführungsform die Kugeln 30 den horizontalen Abschnitt 11a in Richtung nach oben unterstützen, kann der horizontale Abschnitt 11a eine geringe Dicke haben, ohne daß Verformungen bzw. Auslenkungen zu befürchten sind.
Bei dem linearen Bewegungslager gemäß den Fig. 3 und 4 sind Befestigungsöffnungen 19 zum Anbringen des Tischas an Stellen in der Nähe des Mittelteils des horizontalen Abschnittes 11a des Lagerblocks 11 vorgesehen. Die weiteren Einzelheiten dieser Ausführungsform sind ähnlich wie bei der ersten bevorzugten Ausführungsform ausgelegt und werden daher nachstehend nicht nochmals näher beschrieben.
Wenn Belastungen in verschiedenen Richtungen auf das lineare Bewegungslager nach der Erfindung einwirken, werden Reaktionskräfte in verschiedenen Richtungen und Verformungen des Lagerblocks 11 wie nachstehend beschrieben, hervorgerufen.
  • a) Für einen Fall, in dem der Lagerkörper 10 die nach unten gerichtete Belastung aufnimmt, gilt:
    • 1. Wenn der Tisch T eine nach unten gerichtete Belastung P auf den Lagerkörper 10 bewirkt, wird die Belastung P in den Befestigungsflächen 17 und 18 des Lagerblocks 11 verteilt, wie dies in Fig. 5(a) gezeigt ist. Man erhält eine gleichmäßige Verteilungsbelastung P1 und P2, die jeweils auf die Befestigungsflächen 17 und 18 wirken, wobei P = 2 . P1 + P2 ist.
    • 2. Die Kugeln, die die Belastungen tragen, sind Kugeln (wie dies mit ausgefüllten schwarzen Kreisen in der Figur dargestellt ist), die auf den nach unten gerichteten Kugel-Wälzflächen 14 des Lagerblocks 11 eine Abwälzbewegung ausführen. Da diese Kugeln in der Nähe des Mittelteils des horizontalen Abschnittes 11a liegen, der die Belastung trägt, wird der horizontale Abschnitt 11a durch die Bela­ stung P2, die auf die Befestigungsfläche 18 wirkt, nicht verformt oder ausgelenkt und daher werden beide Randabschnitte 11b nicht nach außen verbogen. Daher erhält man bei dem linearen Bewegungslager nach der Erfindung eine gleichbleibende ausreichende Steifigkeit gegenüber einer nach unten wirkenden Belastung.
  • b) Für einen Fall, in dem der Lagerkörper 10 eine nach oben gerichtete Belastung aufnimmt, gilt:
    • 1. Wenn der Tisch T eine nach oben gerichtete Belastung P gegen den Lagerkörper 10 zur Wirkung bringt, wirkt diese Belastung P auf den Lagerblock 11 als eine Belastung P0, die über die Schrauben übertragen wird, wie dies in Fig. 5(b) gezeigt ist, wobei P = P0 + P0 gilt.
    • 2. Die Kugeln, die die Belastungen tragen, sind Kugeln (wie dies mit ausgefüllten schwarzen Kreisen in der Figur verdeutlicht ist), die eine Abwälzbewegung auf den Kugel-Wälzflächen 13 des Lagerblocks 11 ausführen. Wenn diese Kugeln die Belastung tragen, versuchen sich die Randabschnitte 11b in Richtung nach außen zu biegen, und gleichzeitig versucht das Mittelteil des horizontalen Abschnittes 11a sich in Richtung nach unten zu verformen bzw. auszulenken. Da jedoch der horizontale Abschnitt 11a in Richtung nach oben durch die Kugeln abgestützt ist, die eine Abwälzbewegung auf den nach unten weisenden Kugel- Wälzflächen 14 ausführen, wird der horizontale Abschnitt 11a nicht nach unten verformt. Als Folge hiervon läßt sich die Verschiebung bzw. Verformung der Randabschnitte 11b unterdrücken. Somit behält das lineare Bewegungslager nach der Erfindung eine ausreichende Steifigkeit gegenüber einer nach oben gerichteten Belastung bei.
  • c) Für einen Fall, in dem der Lagerkörper 10 Querbelastungen aufnimmt, gilt:
    • 1. Wenn der Tisch T eine Querbelastung P auf den Lagerkörper 10 aufbringt, wird diese Belastung P in die Belastungen P3, die auf die Befestigungsflächen 17 des Lagerblocks 11 wirken, aufgeteilt, wie dies in Fig. 5(c) gezeigt ist, wobei P = P3 + P3 gilt.
    • 2. Die Kugeln, die die Belastungen tragen, sind die Kugeln (wie dies mit ausgefüllten schwarzen Kreisen dargestellt ist), die eine Abwälzbewegung auf der nach oben weisenden Kugel-Wälzfläche 13 ausführen, die am linken Randabschnitt 11b ausgebildet sind, und auf der nach unten weisenden Kugel-Wälzfläche 14 ausführen, die auf der rechten Seite im horizontalen Abschnitt 11a vorgesehen ist.
    • 3. Wenn die Kugeln die Belastung aufnehmen, versucht der linke Randabschnitt 11b sich in Richtung nach außen zu verformen bzw. auszulenken, wie dies mit einem Pfeil verdeutlicht ist, und zugleich versucht das Mittelteil des horizontalen Abschnittes 11a sich in ähnlicher Weise wie beim vorstehend genannten Fall (b) nach unten zu verformen bzw. auszulenken. Da jedoch der horizontale Abschnitt 11a in Richtung nach oben durch die Kugeln abgestützt ist, die eine Abwälzbewegung auf den nach unten weisenden Kugel-Wälzflächen 14 ausführen, kann sich der horizontale Abschnitt 11a nicht nach unten verformen bzw. auslenken. Als Folge hiervon läßt sich die Verlagerung des Randabschnittes 11b unterdrücken.
    • 4. Dann erfolgt eine Beschreibung der rechten Kugeln. Wenn diese Kugeln die Querbelastung aufnehmen, bewirkt die Reaktionskraft hiervon, daß das Mittelteil des horizontalen Abschnittes 11a nach oben gedrückt wird. Jedoch ist das Mittelteil des horizontalen Abschnittes 11a über die Befestigungsfläche 18 des Lagerblocks 11 mit dem Tisch T in Kontakt und kann sich somit durch die Belastung nicht nach oben verformen. Auf diese Weise läßt sich eine Verlagerung des Randabschnittes 11b unterdrücken.
Somit erhält man bei den linearen Bewegungslagern nach der Erfindung eine konstante ausreichende Steifigkeit gegenüber der Querbelastung.

Claims (2)

1. Längsführung mit einer Wälzkörperumlauflagerung aufweisend:
  • a) einen Lagerkörper (10) mit einer kanalähnlichen Gestalt, der einen horizontalen Abschnitt (11a) und ein Paar von Randabschnitten (11b) hat, die sich von gegenüberliegenden Seiten des horizontalen Abschnitts (11a) weg erstrecken, wobei eine Kugel-Wälzfläche (13), die nach oben weist, an einer inneren Seite jedes Randabschnitts (11b) ausgebildet ist, und wenigstens zwei Kugel-Wälzflächen (14), die nach unten weisen, in der Nähe eines Mittelteils einer inneren Fläche des horizontalen Abschnittes (11a) ausgebildet sind;
  • b) eine Führungsschiene (20), auf der der Lagerkörper (10) angeordnet ist, wobei die Führungsschiene (20) an ihren gegenüberliegenden Seitenflächen mit Kugel-Wälzflächen (21, 22) versehen ist, die nach unten in Richtung auf die nach oben gerichteten Kugel-Wälzflächen (13) des Lagerkörpers (10) weisen und die an ihrer oberen Fläche mit Kugel-Wälzflächen (22) versehen ist, die nach oben in Richtung auf die nach unten weisenden Kugel-Wälzflächen (14) des Lagerkörpers (10) weisen; und
  • c) eine große Anzahl von Kugeln (30), die sich längs endloser Bahnen im Lagerkörper (10) bewegen und zwischen den nach oben weisenden Wälzflächen (13) des Lagerkörpers (10) und den nach unten weisenden Wälzflächen (21) der Führungsschiene (20) und zwischen nach unten weisenden Wälzflächen (14) des Lagerkörpers (10) und den nach oben weisenden Wälzflächen (22) der Führungsschiene (20) zur Aufnahme einer Belastung angeordnet sind;
wobei die Führungsschiene (20) zwei Reihen Bohrungen für Befestigungs­ schrauben aufweist, wobei jede Reihe von Bohrungen zwischen den nach oben weisenden Kugelwälzflächen (13) und den nach unten weisenden Kugelwälzflächen (14) des Lagerkörpers (10) angeordnet ist und
wobei der horizontale Abstand L1 zwischen der nach oben weisenden Kugel-Wälzfläche (13) des Lagerkörpers (10) und der Mittelachse des Lagers etwa doppelt so groß wie sein horizontaler Abstand L2 zwischen der nach unten weisenden Kugel-Wälzfläche (14) des Lagerkörpers (10) und der Mittel­ achse des Lagers ist.
2. Längsführung nach Anspruch 1, wobei die Richtungen der Kugelkontaktlinien in den nach oben weisenden Kugel-Wälzflächen (13) und den nach unten weisenden Kugel-Wälzflächen (14) des Lagerkörpers (10) einen Winkel von 45 ± 10° bezüglich der horizontalen Richtung bilden.
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