DD212915B1

DD212915B1 - FREE DRIVE FOR ROTATORY AND TRANSLATORY AXES

Info

Publication number: DD212915B1
Application number: DD24677082A
Authority: DD
Inventors: Norbert Tallig; Ulrich Loeschner; Gerhard Reimann
Original assignee: Werkzeugmaschinenfabrik Union
Priority date: 1982-12-30
Filing date: 1982-12-30
Publication date: 1986-11-26
Also published as: DD212915A1

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkzeugmaschinen und ist insbesondere für numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen mit linear und oder rotatorisch verstellbaren Schlitten und Tischen geeignet.The invention relates to the field of machine tools and is particularly suitable for numerically controlled machine tools with linear and or rotatably adjustable carriages and tables.

Characteristic of the known technical solutions

Bei einem spielfreien Zahnstangentrieb gemäß der DE-AS 1300395 wird eine Zahnstange mittels Federkraft mit einem Ritzel radial zu dessen Achse verspannt. Während des Bewegungsablaufes bleibt die Zahnstange mit nahezu konstanter Kraft gegen das Ritzel gedrückt. Diese Verspannung mit nahezu konstant bleibender Kraft unabhängig von der äußeren Belastung bedingt einen Kompromiß zwischen Spielfreiheit und Verschleiß.In a backlash-free rack and pinion according to DE-AS 1300395 a rack is braced by spring force with a pinion radially to the axis thereof. During the course of the movement, the rack remains pressed against the pinion with almost constant force. This tension with almost constant force regardless of the external load causes a compromise between backlash and wear.

In einer Einrichtung zur Spielbeseitigung in einem Zahnstangentrieb (DD-WP 71677) werden die Flanken des Antriebsritzels durch eine Vorlast an die Zahnstangenflanken gedrückt, wobei die Last auf einen festen Wert voreinstellbar ist.In a device for game clearance in a rack and pinion drive (DD-WP 71677), the flanks of the drive pinion are pressed by a preload on the rack edges, the load can be preset to a fixed value.

Von Nachteil hierbei ist, daß die Größe der Vorlast entsprechend den Erfordernissen stets neu gewählt und manuell eingestellt werden muß. Da die Vorlast radial zur Achse des Ritzels gerichtet ist, unterliegen die Flanken von Ritzel und Zahnstange einem ständigen Verschleiß und erfordern eine periodische Nachstellung zum Ausgleich des Verschleißes.The disadvantage here is that the size of the preload must always be re-selected according to the requirements and set manually. Since the preload is directed radially to the axis of the pinion, the flanks of pinion and rack are subject to constant wear and require a periodic adjustment to compensate for the wear.

In der DE-OS 1 552222 ist ein spielfreier Schlittenantrieb für Werkzeugmaschinen mit großen und hochbelastbaren Schlitten beschrieben. Das Getriebe für den Schlittenantrieb ist von einer drehbaren und axial verschiebbaren Hauptwelle mit zwei schrägverzahnten Ritzeln ausgehend in zwei Teilübersetzungen mit jeweils zwei parallel angeordneten Getriebewellen aufgeteilt. Durch Axialverschiebung der Hauptwelle mit den daran befestigten Ritzeln wird in den beiden Getriebezügen mit entgegengesetzt verzahnten Getriebestufen das Spiel beseitigt.In DE-OS 1 552222 a backlash-free slide drive for machine tools with large and heavy-duty slide is described. The gearbox for the carriage drive is divided by a rotatable and axially displaceable main shaft with two helical pinions, starting in two partial ratios, each with two parallel transmission shafts. By axial displacement of the main shaft with the pinions attached thereto, the game is eliminated in the two gear trains with oppositely toothed gear stages.

Die Verspannkraft zur Spielbeseitigung ist automatisch und proportional zur Vorschubgegenkraft veränderbar, indem die Hauptwelle mittels eines hydraulisch betätigten Kolbens axial bewegt wird und die Druckbeaufschlagung des Kolbens automatisch regelbar ist.The bracing force for clearance clearance is automatically and proportionally to the feed counter force changed by the main shaft is moved axially by means of a hydraulically actuated piston and the pressurization of the piston is automatically controlled.

Während hier durch die Getriebeaufteilung und die verschleißregelnde Ausschaltung des Spieles im gesamten Schlittenantrieb Vorteile gegenüber anderen Lösungen erreicht werden, bringen die Verschiebung der Hauptwelle sowie der dazu gehörende Kolben Probleme mit sich.While advantages over other solutions are achieved here by the gear distribution and the wear-regulating off the game in the entire carriage drive, bring the displacement of the main shaft and the associated piston problems.

Die Lagerung der Hauptwelle muß eine Axialverschiebung zulassen, d. h., diese muß mit bewegt werden. Dadurch ist keine exakte Lagerung möglich, außerdem sind Speziallager erforderlich. Die Steifigkeit der Speziallager ist gegenüber Standardlagern geringer.The bearing of the main shaft must allow an axial displacement, d. h., this must be moved with. As a result, no exact storage is possible, also special bearings are required. The stiffness of the special bearings is lower compared to standard bearings.

Diese Gegebenheiten sowie die Summe der zu bewegenden Massen aus Hauptwelle und Ritzelpaar beeinflussen das dynamische Regelverhalten des Antriebes negativ. Der Verstellkolben ist Bestandteil der Hauptwelle und erfordert insofern einen höheren Fertigungs- und Montageaufwand, da dieser innerhalb des Getriebes montiert werden muß. Bei Störungen ist der Verstellkolben erschwert zugänglich und erfordert einen erhöhten Demontageaufwand.These conditions as well as the sum of the masses to be moved from the main shaft and the pair of pinions negatively influence the dynamic control behavior of the drive. The adjusting piston is part of the main shaft and thus requires a higher manufacturing and assembly costs, since it must be mounted within the transmission. In case of disturbances the adjusting piston is difficult to access and requires an increased disassembly effort.

Die Lösung zur Beseitigung des Einflusses von Spiel auf den Antrieb der Achsen von Werkzeugmaschinen gemäß der DE-OS 2345711 sieht zwei Servosysteme mit je einem stufenlos einstellbaren Elektromotor vor. Die beiden Servosysteme treiben zwei wechselseitig voneinander abhängige Getriebe an und werden so geregelt, daß ständig Spielfreiheit zwischen den Antriebsritzeln der beiden Getriebe, die auch als Teilübersetzungen eines Getriebes ausgebildet sein können, besteht. Dabei werden die in Eingriff stehenden Ritzel zueinander in Drehrichtung verspannt. Nachteilig an dieser Lösung ist der hohe antriebs- und regelungstechnische Aufwand, den die zwei separaten Antriebseinheiten einschließlich der erforderlichen Steller erfordern.The solution to eliminate the influence of game on the drive of the axes of machine tools according to DE-OS 2345711 provides two servo systems, each with a continuously adjustable electric motor. The two servo systems drive two mutually dependent gearboxes and are regulated so that there is always freedom of play between the drive pinions of the two gearboxes, which can also be designed as partial ratios of a transmission exists. The meshing pinions are clamped to each other in the direction of rotation. A disadvantage of this solution is the high drive and control engineering effort required by the two separate drive units including the required controller.

Eine mechanische Einrichtung zum spielfreien Antrieb von Schlitteneinheiten (DD-PS 203697) sieht zu diesem Zweck die Anordnung eines Zahnriemens vor, der von einem Motor angetrieben wird und zwei Zahnscheiben umschlingt, die über je ein Ritzel in eine Zahnstange eingreifen. Der Nachteil dieser Lösung besteht in einem hohen Raumbedarf bei geringer Höhe der übertragbaren Drehmomente.A mechanical device for play-free drive of carriage units (DD-PS 203697) provides for this purpose the arrangement of a toothed belt, which is driven by a motor and wraps around two toothed disks, which engage via a respective pinion in a rack. The disadvantage of this solution is a high space requirement at a low level of transmissible torques.

Bei der Übertragung höherer Drehmomente entsteht ein wesentlich erweiterter getriebetechnischer Aufwand und ein noch höherer Raumbedarf.In the transmission of higher torques results in a much more extensive gearbox technical effort and even higher space requirements.

Weiterhin ist eine Lösung zur Spielbeseitigung bekannt (Bedienanleitung für Drehtische TDV7, Fa. Sparmann, DE, 1975), wobei zwei auf zwei Schneckenräder befindliche Schnecken mittels Federn gegenseitig verspannt sind. Bereits die Eigenschaften einesFurthermore, a solution for game clearance is known (Operating Instructions for turntables TDV7, Fa. Sparmann, DE, 1975), wherein two screws located on two worm gears are braced by springs. Already the characteristics of a

Schneckenantriebes an sich — geringer Wirkungsgrad, hohe Reibung —, die durch die sich kreuzenden Achsen bedingt sind, stellen hier einen Nachteil dar. Durch die starre und konstant eingestellte Verspannung der Schnecken wird der Wirkungsgrad des Antriebes weiter verringert. Der Verschleiß ist durch mechanische Verspannung sehr groß und auch durch hydrodynamische Beaufschlagung der Schneckenflanken nicht wesentlich reduzierbar.Worm drive itself - low efficiency, high friction - which are caused by the intersecting axes, here represent a disadvantage. The rigid and constantly set tension of the screw, the efficiency of the drive is further reduced. The wear is very high due to mechanical tension and not significantly reduced by hydrodynamic loading of the screw flanks.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, die Gebrauchseigenschaften eines spielfreien Antriebes für rotatorische und translatorische Achsen von Werkzeugmaschinen zu verbessern und den Aufwand zu dessen Herstellung zu verringern.The aim of the invention is to improve the performance characteristics of a backlash-free drive for rotary and translational axes of machine tools and to reduce the effort to manufacture it.

Explanation of the essence of the invention

Ursache für geringen Wirkungsgrad und hohe Reibung bei mechanisch verspannten spielfreien Antrieben sind sich kreuzende Achsen bei der Bewegungsübertragung im Antrieb oder die radiale Richtung der Verspannkraft in bezug auf die Drehachse der Ritzel bzw. Übertragungselemente. Die Doppelung der Antriebssysteme ist Ursache für den hohen antriebs- und regelungstechnischen Aufwand der entsprechenden bekannten technischen Lösung. Beim direkten Antrieb eines Zahnriemens durch einen Motor kann keine Drehmomentenwandlung infolge fehlender zwischengeschalteter Getriebestufe erfolgen. Der hohe Raumbedarf auch ohne Getriebestufe ergibt sich aus der Dimensionierung des Zahnriemens bzw. seiner Belastbarkeit.Cause of low efficiency and high friction in mechanically strained backlash-free drives are crossing axes in the motion transmission in the drive or the radial direction of the clamping force with respect to the axis of rotation of the pinion or transmission elements. The duplication of the drive systems is the cause of the high drive and control engineering effort of the corresponding known technical solution. When a toothed belt is driven directly by a motor, no torque conversion can take place due to the lack of an intermediate gear stage. The high space requirement also without gear stage results from the dimensioning of the toothed belt or its load capacity.

Bei den Lösungen mit fest einstellbarer Größe der Verspannung führt der Verschleiß zu einer Vergrößerung des Spiels.In the solutions with fixed adjustable size of the tension wear leads to an increase in the game.

Die Mängel bezüglich der Lösung des spielfreien Schlittenantriebes mit zwei parallelen Teilübersetzungen resultieren aus der Notwendigkeit, mit dem Ritzelpaar auch die Hauptwelle axial zu verschieben.The shortcomings with respect to the solution of the backlash-free carriage drive with two parallel partial translations result from the need to move the main shaft axially with the pair of pinions.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen bahnsteuerungsgerechten Schlittenantrieb mit einem verspannbaren Doppelritzel-Stimradgetriebe zu schaffen, dessen Hauptwelle axial fest gelagert ist. Die Größe der Verspannbarkeit soll in Abhängigkeit von der momentanen äußeren Belastung aufgebracht werden.The object of the invention is therefore to provide a train control appropriate slide drive with a braced double pinion spur gear, the main shaft is mounted axially fixed. The size of the bracing should be applied depending on the current external load.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Doppelritzel axial verschiebbar auf einer axial feststehenden Welle gelagert ist, die an dem einen Ende eine zentrische axiale Bohrung und nachfolgend eine sie durchdringende radiale Öffnung aufweist. In der Bohrung der Welle sind ein gegen ein axial verstellbares Teil abgestütztes Axiallager und ein darauf befestigter, in die Öffnung ragender Bolzen angeordnet. In der radialen Öffnung ist zwischen dem Doppelritzel und dem Bolzen ein Steg angeordnet.According to the invention the object is achieved in that the double pinion is axially displaceably mounted on an axially fixed shaft having at one end a central axial bore and subsequently a radial opening penetrating it. In the bore of the shaft a supported against an axially adjustable part thrust bearing and a mounted thereon, projecting into the opening bolts are arranged. In the radial opening, a web is arranged between the double pinion and the bolt.

Der Bolzen und der Steg sind sowohl mit der axial feststehenden Welle drehbar als auch in dieser axial verschiebbar.The bolt and the web are both axially rotatable with the axially fixed shaft and axially displaceable in this.

Die Verspannkraft ist in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit und oder von der Vorschubkraft entsprechend der Drehzahl und oder dem Strom des Antriebsmotors des Schlittenantriebes über einen Regler und ein Stellglied in Stufen einsteilbar oder stufenlos regelbar.The tensioning force can be adjusted in stages as a function of the feed rate and / or the feed force in accordance with the rotational speed and or the current of the drive motor of the carriage drive via a controller and an actuator in stages or infinitely variable.

embodiment

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained below with reference to an embodiment.

Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen in Fig. 1 ein verspanntes Stirnradgetriebe für den spielfreien Antrieb eines Drehtisches und in Fig. 2 eine Anordnung zur axialen Verschiebung eines auf einer axial feststehenden Welle angeordneten Doppelritzels.The accompanying drawings show in Fig. 1 a braced spur gear for the play-free drive of a turntable and in Fig. 2 shows an arrangement for the axial displacement of a arranged on an axially fixed shaft double pinion.

Von einem Antriebsmotor 1, dessen Welle parallel zu den Getriebewellen und zur Achse des Drehtisches angeordnet ist, wird über eine Grundübersetzung 2 eine Welle 3 angetrieben. Die Welle 3 ist axial feststehend und trägt die Ritzel 5 und 6, die auf ihr axial verschiebbar sind.From a drive motor 1, whose shaft is arranged parallel to the transmission shafts and to the axis of the turntable, a shaft 3 is driven via a basic ratio 2. The shaft 3 is axially fixed and carries the pinions 5 and 6, which are axially displaceable on it.

Das Ritzel 5 und das mit ihm kämmende Stirnrad 11 sind gegenläufig schräg verzahnt, ebenso das Ritzel 6 und das Stirnrad 7 sowie die Ritzel 5 und 6 zueinander. Vom Ritzel 5 ist eine Teilübersetzung abgeleitet, die außerdem die Stirnräder 11,12 und 13 sowie das gerade verzahnte, mit dem Zahnkranz 15 des Drehtisches im Eingriff stehende Ritzel 14 umfaßt. Die andere Teilübersetzung umfaßt vom Ritzel 6 abgeleitet die Stirnräder 7,8 und 9 sowie das gleichfalls mit dem Zahnkranz 15 des Drehtisches im Eingriff stehende, gerade verzahnte Ritzel 10.The pinion 5 and the meshing with him spur gear 11 are helically geared in opposite directions, as well as the pinion 6 and the spur gear 7 and the pinion 5 and 6 to each other. From the pinion 5 is a partial ratio derived, which also includes the spur gears 11,12 and 13 and the straight toothed, with the sprocket 15 of the turntable engaged pinion 14 comprises. The other partial translation includes derived from the pinion 6, the spur gears 7,8 and 9 and also with the sprocket 15 of the turntable engaged, straight toothed pinion 10th

Mittels dem axial verstellbaren Teil 20, das im Ausführungsbeispiel als Kolben eines Hydraulikzylinders ausgebildet ist, können die beiden Teilübersetzungen mit einer in axialer Richtung wirkenden Kraft F verspannt werden. Dazu ist die axial feststehende Welle 3 mit einer zentrischen axialen Bohrung 18 und einer nachfolgenden, die Welle 3 radial durchdringenden Öffnung 19 versehen, wobei in der Bohrung 18 ein Axiallager 21 und ein darauf befestigter, in die radiale Öffnung 19 ragender Bolzen 22 angeordnet ist, der mit dem Steg 23 verbunden ist. Mit dieser Anordnung ist eine präzise Radiallagerung der Welle 3 und eine höhere Güte der Bewegungsübertragung im Getriebe möglich.By means of the axially adjustable part 20, which is formed in the embodiment as a piston of a hydraulic cylinder, the two partial translations can be clamped with a force F acting in the axial direction. For this purpose, the axially fixed shaft 3 is provided with a central axial bore 18 and a subsequent, the shaft 3 radially penetrating opening 19, wherein in the bore 18, a thrust bearing 21 and a mounted thereon, projecting into the radial opening 19 bolt 22 is disposed, which is connected to the web 23. With this arrangement, a precise radial bearing of the shaft 3 and a higher quality of the motion transmission in the transmission is possible.

Die Relativbewegung zwischen dem als Kolben ausgebildeten verstellbaren Teil 20 und dem mit der Welle 3 rotierenden Bolzen 22 wird von dem Axiallager 21 aufgenommen.The relative movement between the adjustable part 20 designed as a piston and the pin 22 rotating with the shaft 3 is received by the axial bearing 21.

Bei einer Beaufschlagung des im Ausführungsbeispiel als Hydraulikzylinder ausgebildeten Spannteils 4 mit einer Kraft F ergibt sich durch die schrägverzahnten Ritzel 5 und 6 eine Umfangskraft, die über die Stirnräder 7,8 und 9 am Ritzel 10 auf der einen Seite und den Stirnrädern 11,12und13 am Ritzel 14 auf der anderen Seite gegenüber dem Zahnkranz 15 des Drehtisches zu einer Verspannung der Einrichtung führt. Das durch den Antriebsmotor 1 eingeleitete Drehmoment ergibt an den Ritzeln 5 und 6 zur Umfangskraft eine Axialkraft, die der Beaufschlagung mit der Kraft F entgegenwirkt. Damit wird die Verspannung reduziert, aber nicht aufgehoben.Upon application of the trained as a hydraulic cylinder clamping member 4 in the embodiment with a force F results from the helical pinion 5 and 6, a circumferential force on the spur gears 7,8 and 9 on the pinion 10 on one side and the spur gears 11,12und13 am Pinion 14 on the other side relative to the ring gear 15 of the turntable leads to a distortion of the device. The torque introduced by the drive motor 1 produces at the pinions 5 and 6 to the circumferential force an axial force which counteracts the application of the force F. This reduces the tension but does not cancel it.

Durch die axiale Verschiebung der Ritzel 5 und 6 bis zur Verspannung der Teilübersetzungen mit einer einstellbaren oder regelbaren Kraft F wird ein im Getriebe auftretendes Spiel durch Verschleiß permanent kompensiert.Due to the axial displacement of the pinion 5 and 6 to the tension of the partial translations with an adjustable or controllable force F occurring in the gear game is permanently compensated by wear.

Die Größe der Kraft F zur Verspannung ist in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit und oder von der Vorschubkraft über einen Regler 16 und ein Stellglied 17 in Stufen einstellbar oder stufenlos regelbar. Die entsprechenden Stellgrößen werden aus der Drehzahl und oder dem Strom des Antriebsmotors 1 abgeleitet.The magnitude of the force F for clamping is adjustable in steps or infinitely variable in dependence on the feed rate and / or on the feed force via a controller 16 and an actuator 17 in stages. The corresponding manipulated variables are derived from the rotational speed and / or the current of the drive motor 1.

Damit ist ein der Bearbeitung angepaßter und den Anforderungen einer Bahnsteuerung gerecht werdender spielfreier Antrieb gewährleistet.This ensures a machining-adapted and the requirements of a web control fair expectant play-free drive.

Claims

Invention claim:

1. Backlash-free drive for rotary and translatory axes, especially for numerically controlled machine tools, with a double pinion spur gear, which forwards a derived from a drive motor basic translation to two parallel partial translations, which by an axial displacement of the opposite helical double pinion geared with opposite helical Wheels mesh, a tension of the partial translations takes place and the size of the clamping force is variable, characterized in that the pinions {5,6) are axially displaceably mounted on an axially fixed shaft (3) having at one end a central axial bore ( 18) and subsequently having a radial opening (19) penetrating it, wherein in the bore (18) a thrust bearing (21) supported against an axially adjustable part (20) and a bolt (22) mounted thereon and projecting into the opening (19) ) are arranged and that between the pinions (5,6) and the pin (22) in the radial opening (19) has a web (23) is arranged.

2. play-free drive according to item 1, characterized in that the bolt (22) and the web (23) with both the axially fixed shaft (3) are rotatable and axially displaceable in this.

3. play-free drive according to item 1, characterized in that the clamping force in response to the feed rate and / or the feed force corresponding to the speed and or the current of the drive motor (1) via a controller (16) and an actuator (17) in stages adjustable or continuously adjustable.