DE102007007885A1

DE102007007885A1 - Erzeugung einer konstanten Vorspannung für einen Kugelrollspindelgewindetrieb mit Doppelmutter

Info

Publication number: DE102007007885A1
Application number: DE102007007885A
Authority: DE
Inventors: Günter Prof. Dr.-Ing. Pritschow; Karl-Heinz Dr.-Ing. Wurst; Oliver Dipl.-Ing. Kurz
Original assignee: FISW STEUERUNGSTECHNIK GmbH
Current assignee: FISW STEUERUNGSTECHNIK GmbH
Priority date: 2007-02-14
Filing date: 2007-02-14
Publication date: 2008-09-04

Abstract

Die Vorspannung einer Kugelrollspindel im Werkzeugmaschinenbau ist typischer Weise über einen festen Keil eingestellt und damit Rollspindelverschleiß und anderen Einflüssen unterworfen. Hier wird eine Vorrichtung zur konstanten Einstellung der Vorspannung bei einer Kugelrollspindeleinheit mit Doppelmutter vorgestellt, wobei eine erste Mutter mit dem linear beweglichen Stellelement verbunden ist und die Vorspannung über ein Moment aufgebracht wird, das auf die zweite Mutter wirkt. Beide Muttern sind reibungsmäßig über ein Axiallager entkoppelt. Das Moment wird konstant und anpassbar auf die verschiedenen Betriebsbedingungen des Spindelsystems eingestellt. Die Einstellung kann z. B. erfolgen über ein Hebelsystem an der zweiten Mutter und einen mit konstantem Druck beaufschlagten Kolbenantrieb, der zwischen dem Hebel und dem linearen Stellelement wirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Vorspannung für Kugelrollspindeln mit Doppelmutter nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Solche Kugelrollspindeln mit Doppelmutter und Vorspannung sind typischerweise im Werkzeugmaschinenbau oder in der Robotertechnik bekannt, um die rotatorische Bewegung eines Antriebsmotors in eine translatorische Bewegung zu wandeln. Bei Werkzeugmaschinen wird auf diese Weise z. B. ein linear geführter Tisch (5) bewegt, der entweder das Werkstück, das Werkzeug oder eine weitere Achse trägt. Die Vorspannung zwischen den beiden Kugelrollmuttern wird aufgebracht, um das Spiel der Mutter zu beseitigen oder um die Steifigkeit der Spindelmutterverbindung gegenüber der Spindel (3) zu erhöhen.
Nach dem Stand der Technik wird heute zur Vorspannungserregung typischerweise eine Mutter (1) mit dem Tisch (5) fest verbunden und die zweite Mutter (2) ist linear verschieblich zur Spindelachse aber blockiert gegen Verdrehen ebenfalls mit dem Tisch fixiert, wobei die Vorspannung über einen Keil erzeugt wird, der zwischen die erste und die zweite Mutter geschoben wird. Die Einstellung der Vorspannung erfolgt über die Verschiebung des Keils und indirekt über Reibung zwischen Mutter und Spindel, die sich mit steigender Vorspannung erhöht. Die Reibung beeinflusst das Spindeldrehmoment. Über die Höhe des Spindeldrehmomentes wird typischer Weise die Vorspannung eingestellt.
Die Vorspannung ist damit über die feste Stellung des Keiles fixiert, der den geometrischen Abstand der beiden Kugelrollmuttern bestimmt. Die Vorspannung ist allerdings vielfältigen Einflüssen unterworfen. Sie wird durch die Steigung der Spindel bestimmt, die Toleranz- und Temperaturschwankungen unterliegt. Zum anderen bestimmt aber auch der Verschleiß der Kugelbahnen und der Kugeln in den Mutter die Vorspannung zwischen den Mutter. Die Vorspannung unterliegt so starken Schwankungen, die bei Unter schreitung einer Mindestspannung zum Standzeitende des Kugelrollspindelsystems führen. Um für den Verschleiß einen Vorspannungsvorhalt zu gewährleisten, wir i. a. eine neue Spindel mit einem Vorspannungsüberschuß eingestellt, der den zwei- bis dreifachen Betrag der Vorspannung beträgt, die für eine brauchbare Steifigkeit einzustellen ist. Da die Lebensdauer einer Kugelrollspindel mit der dritten Potenz der Vorspannung abnimmt, ist dieser Vorhalt extrem nachteilig für die Standzeitdauer. Besonders störend ist auch die konstante Einstellung der Vorspannung, denn bei Eilgangbewegung entsteht eine hohe Erwärmung, die den Verschleiß besonders fördert, obwohl hier praktisch keine Vorspannung benötigt wird.
Eine Variante zur Keilvorspannung ist in der Patentschrift DE 3204 919 C1 beschrieben, wobei anstelle eines Keiles die beiden Mutter an ihren gegenüberliegenden Enden mit gegenläufigen Teilgewinden versehen sind, die über einen Sicherungsring nach Art einer Kontermutter mit entsprechend gegenläufigem Innengewinde die beiden Mutter zueinander verspannt. Diese Variante erbringt gegenüber der Keilverspannung hinsichtlich der nachteiligen Vorspannungsschwankungen keinerlei Vorteile.
In der Offenlegungsschrift DE 3900121 A1 wird eine Vorrichtung zur Einstellung der Vorspannung vorgestellt, das ein variables Spannelement enthält, das aus scheibenförmigen Piezoelementen besteht. Mit diesen Piezoelementen ist es möglich, die Vorspannung variabel zu steuern und damit auf Schwankungen der Vorspannung aktiv zu reagieren. Nachteilig bei diesem Verfahren ist der hohe Aufwand für diese Stelleinrichtung, die i. a. den Wert der Kugelrollspindeleinheit übertrifft.
Ein weiteres aktives Element zur Vorspannungseinstellung wird über die European Patent Application EP 0799 672 A beschrieben. Auf einer stationär ruhenden eingespannten Spindeleinheit sind die beiden Kugelrollmuttern jeweils Teil des Rotors eines Motors, dessen Stator mit dem beweglichen Tisch verbunden sind. Mit einem Motor wird hier die Bewegung erzeugt, der zweite Motor wirkt zur Vorspannungserzeugung mit seinem Motormoment gegen den ersten Motor, wodurch die Vorspannung einstellbar wird. Diese Art der aktiven Einstellung ist sehr aufwendig und nur einsetzbar für stillstehende Spindeln, die in der Anwendung Ausnahmefälle darstellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die es erlaubt, die Vorspannung der Spindelmuttern der vorbeschriebenen Art auch im Betrieb an unterschiedliche Betriebsbedingungen z. B. programmgesteuert anzupassen, wobei deren Aufbau mit geringem Aufwand zu realisieren ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Vorrichtung gemäß 1 und 2 zwei Kugelrollmuttern enthält, wobei eine Mutter (1) fest mit dem linear beweglichen Element (5) verbunden ist, das z. B. als Tisch ausgeprägt sein kann, und die zweite Mutter (2) mit einem konstanten einstellbaren Moment gegen die erste Mutter verdreht wird. Damit diese Verdrehung zur Vorspannungserzeugung ohne Reibungsverluste erfolgen kann, wird die zweite Mutter zur ersten Mutter reibungsmäßig über ein Axiallager (4) entkoppelt.
Das einstellbare Moment kann auf unterschiedliche Weise aufgebracht werden, z. B. über einen Hebelarm (6) an der zweiten Mutter (2) und ein Kraftstellelement (7) zwischen dem Hebel (6) und dem linear beweglichen Element (5), das ausgeprägt sein kann:

• als Druckzylinder, der hydraulisch oder pneumatisch mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt werden kann;
• als magnetisches Stellelement;
• als Piezosteller;
• als einstellbares Federelement.

Das einstellbare Moment kann aber auch aufgebracht werden über eine Spiralfeder, die zwischen der zweiten Mutter und einer Fixierung an dem linear beweglichen Element liegt. Diese Fixierung kann örtlich einstellbar gestaltet werden, um die Vorspannung den Betriebsbedingungen anzupassen. Für besondere Belastungsfälle kann die Mutter (2) aber auch einfach gegen Verdrehung über eine dafür vorgesehene Vorrichtung (8) oder über das Kraftstellelement blockiert werden. Eine solche Blockade lässt sich beispielsweise einfach über einen doppelt wirkenden hydraulischen Druckzylinder erzeugen, wenn beide Zuführungen über Ventile gesperrt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 3204919 C1 [0005]
- DE 3900121 A1 [0006]
- EP 0799672 A [0007]

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung einer Vorspannung für eine Kugelrollspindel mit Doppelmutter, wobei eine Mutter (1) fest mit dem linear beweglichen Stellelement (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Mutter (2) mit einem konstanten einstellbaren Moment gegen die erste Mutter verdreht und das konstante Moment mittels eines Drehmomentenstellgliedes erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmomentenstellglied aus einem Hebel (6) besteht, der an der zweiten Mutter (2) aufgebracht wird, auf den eine Kraft wirkt, die mittels eines Krafteinstellelementes (7) zwischen Hebel und dem linear beweglichen Element erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Krafteinstellelement ein Druckzylinder ist, der mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Krafteinstellelement eine Feder ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Krafteinstellelement ein Piezosteller ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Krafteinstellelement magnetisch verstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hub des Kraftstellelementes über eine entsprechende Vorrichtung (8) gesteuert blockiert werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das konstante Moment durch eine Spiralfeder aufgebracht wird, die zwischen der zweiten Mutter und einer Fixierung am linear beweglichen Element liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierung ortsveränderlich gestaltet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das konstante Moment durch einen Torquemotor aufgebracht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Mutter zur ersten Mutter reibungsmäßig über ein Axiallager (4) entkoppelt wird.