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Die
Erfindung betrifft ein Linearwälzlager, umfassend eine
sich in eine Längsrichtung erstreckende Führungsschiene,
welche zwei, in im Wesentlichen entgegengesetzte Richtungen weisende Führungsflächen
aufweist, und einen Führungswagen, welcher an der Führungsschiene
mittels wenigstens zwei Wälzkörperreihen in Längsrichtung
verschiebbar gelagert ist, von denen jede einerseits mit einer am
Führungswagen ausgebildeten Wälzfläche und
andererseits mit einer an einer der Führungsflächen
der Führungsschiene ausgebildeten Gegenwälzfläche
in Wälzeingriff steht, wobei an dem Führungswagen
eine Piezo-Stelleinrichtung vorgesehen ist, welche mit die Wälzflächen
aufweisenden Abschnitten des Führungswagens in Wirkverbindung steht
und mittels derer die Vorspannung der Wälzkörper
zwischen Wälzflächen und Gegenwälzflächen einstellbar
ist.
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Ein
derartiges Linearwälzlager ist beispielsweise aus der
US 6,174,084 B1 bekannt.
Bei diesem Linearwälzlager umgreift der Führungswagen
die Führungsschiene im Wesentlichen U-förmig,
wobei in jedem der Seitenstege der U-Form jeweils eine Piezo-Stelleinrichtung
vorgesehen ist. Auf Grund des geringen, in diesem Bereich zur Verfügung
stehenden Bauraums können nur kleine Piezo-Stelleinrichtungen
eingesetzt werden. Da Piezo-Stelleinrichtungen aber ohnehin das
Problem haben, pro Längeneinheit nur einen geringen Stellweg
erzeugen zu können, ist die bei dem bekannten Linearwälzlager
erzielbare Änderung der Vorspannung der Wälzkörper so
gering, dass sie für praktische Anwendungen nicht brauchbar
ist. Daher kann das aus der
US
6,174,084 B1 bekannte Linearwälzlager auch einen
Nachteil nicht beheben, der bei Linearwälzlagern ohne Möglichkeit
einer Änderung der Vorspannung zu Tage tritt. Und zwar
muss bei derartigen Linearwälzlagern die Vorspannung im
Hinblick auf hohe Präzision erfordernde Betriebssituationen
gewählt werden, beispielsweise im Hinblick auf eine Betriebssituation,
in der mit einem durch das Linearwälzlager geführten Werkzeug
eine Feinbearbeitung von Werkstücken vorgenommen werden
soll. Diese zwangsläufig hohe Vorspannung führt
aber zu einem Verschleiß an Wälzkörpern,
Wälzfläche und Gegenwälzfläche,
der die Lebensdauer des Linearwälzlagers begrenzt, und dies
auch in Betriebssituationen, in denen man ohne hohe Vorspannung
auskommen könnte.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Linearwälzlager
der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass es ohne Einschränkungen
hinsichtlich der beherrschbaren Betriebssituationen einen geringeren
Verschleiß und damit eine erhöhte Lebensdauer
aufweist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Linearwälzlager
der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem dass der
Führungswagen zumindest abschnittsweise im Wesentlichen
H-förmig ausgebildet ist mit einem Quersteg und zwei Seitenstegen,
und dass die Piezo-Stelleinrichtung zwischen den beiden oberen Schenkeln
der Seitenstege der H-Form angeordnet ist und über eine
von den Seitenstegen der H-Form gebildete Hebelmechanik mit den die
Wälzflächen aufweisenden Abschnitten in Kraftübertragungsverbindung
steht. Auf Grund dieser Anordnung kann sich die Piezo-Stelleinrichtung über
einen großen Teil der Gesamtbreite des Führungswagens
erstrecken und daher einen entsprechend großen Stellweg
erzeugen. Mit Hilfe dieser Piezo-Stelleinrichtung kann daher in
der überwiegenden Mehrzahl von Betriebssituationen mit
einer geringen Vorspannung gearbeitet werden, welche einen entsprechend
geringeren Verschleiß nach sich zieht, während
dann, wenn die Betriebssituation eine hohe Steifigkeit des Linearwälzlagers
erfordert, vorübergehend eine hohe Vorspannung eingestellt
werden kann. Insgesamt ergibt sich damit ein geringerer Verschleiß und
in der Folge eine höhere Lebensdauer des Linearwälzlagers.
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Ergänzend
sei angemerkt, dass die elastische Verbindung des Basisstegs der
H-Form zu jedem der Seitenstege das Drehgelenk der Hebelmechanik
bildet.
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An
dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass der Einsatz einer derartigen
H-förmigen Hebelmechanik bei Linearwälzlagern
an sich bekannt ist, beispielsweise aus der
EP 0 936 366 B1 . Dort wird sie
aber dazu genutzt, um Bremsbacken gegen zugeordnete Bremsflächen
der Führungsschiene zu drücken.
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Um
die Piezo-Stelleinrichtung möglichst kostengünstig
bereitstellen und raumsparend anordnen zu können, wird
in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass der Führungswagen
ein Basisteil und zwei die Wälzflächen aufweisende
Schenkel umfasst, und dass die Piezo-Stelleinrichtung auf die Schenkel
eine die Wälzflächen auf die jeweils zugehörige
Gegenwälzflache zu drängende Kraft ausübt. Auf
diese Weise können mit einer einzigen Piezo-Stelleinrichtung
gleichzeitig beide Schenkel beeinflusst werden.
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Insbesondere
dann, wenn die Drehachse der Hebelmechanik im Wesentlichen in Längsrichtung verläuft,
kann die Übersetzung der Hebelmechanik dazu genutzt werden,
um einen günstigen Kraft- bzw. Weg-Arbeit-Bereich der Piezo-Stelleinrichtung
einzustellen.
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Eine
mechanische Grundvorspannung der Wälzkörper kann
durch geeignete Auswahl des Wälzkörperdurchmessers
auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.
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Um
darüber hinaus sicherstellen zu können, dass die
Piezo-Stelleinrichtung die gewünschten Wege bzw. Stellkräfte
ausführen kann, können Mittel zur Einstellung
des Arbeitspunkts der Piezo-Stelleinrichtung vorgesehen sein, d.
h. Mittel zur Erzeugung einer Vorspannung der Piezo-Stelleinrichtung.
Diese Piezo-Vorspannung kann beispielsweise durch Zusatzstellmittel,
beispielsweise Stellschrauben, die zwischen der Piezo-Stelleinrichtung
und den Schenkeln vorgesehen sind, in einfacher Weise erzeugbar sein.
Bei der Betätigung dieser Zusatzstellmittel, beispielsweise
beim Anziehen der Stellschrauben, wird zunächst das Spiel
des Hebelmechanismus beseitigt. Bei der weiteren Betätigung
wird dann die Piezo-Stelleinrichtung vorgespannt. Selbstverständlich wird
dabei auch eine weitere Vorspannung auf die Wälzkörper
ausgeübt. Diese weist aber im Vergleich mit deren Grundvorspannung
nur einen geringen Wert auf. Eine in der vorstehend beschriebenen
Art und Weise vorgespannte Piezo-Stelleinrichtung kann die Vorspannung
der Wälzkörper ausgehend von deren Grundvorspannung
um zwischen etwa 10% und etwa 30% erhöhen.
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Um
sicherstellen zu können, dass über die gesamte
Länge des Führungswagens die gleiche Vorspannung
auf die Wälzkörper wirkt, kann die Piezo-Stelleinrichtung
eine Mehrzahl von in Längsrichtung nebeneinander angeordneten,
in Querrichtung wirkenden Piezo-Aktoren aufweisen. Zusätzlich
oder alternativ ist es jedoch auch möglich, dass die Piezo-Stelleinrichtung
eine Mehrzahl von in Querrichtung hintereinander angeordneten, in
Querrichtung wirkenden Piezo-Aktoren aufweist. Letztere Maßnahme
ermöglicht zum einen eine Anpassung an die Abmessungen
von auf dem Markt verfügbaren Piezo-Aktoren und zum anderen
bei elektrischer Parallelschaltung die Verwendung einer geringeren
Betriebsspannung bei gleichem Stellweg.
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Schließlich
kann der Aufbau des Führungswagens dadurch vereinfacht
werden, dass dieser im Wesentlichen spiegelsymmetrisch ausgebildet
ist.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnung
an Ausführungsbeispielen näher erläutert
werden. Es stellt dar:
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1 eine
Perspektivansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Linearwälzlagers;
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2 eine
längs der Ebene II-II in 1 genommene
Schnittansicht des Ausführungsbeispiels gemäß 1;
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3 eine
Perspektivansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Linearwälzlagers;
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4 eine
längs der Ebene IV-IV in 3 genommene
Schnittansicht des Ausführungsbeispiels gemäß 3;
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5 eine
Perspektivansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Linearwälzlagers;
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6 eine
längs der Ebene VI-VI in 5 genommene
Schnittansicht des Ausführungsbeispiels gemäß 5;
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7 eine
Perspektivansicht eines vierten Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Linearwälzlagers;
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8 eine
längs der Ebene VIII-VIII in 7 genommene
Schnittansicht des Ausführungsbeispiels gemäß 7;
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9 eine
längs der Ebene IX-IX in 7 genommene
Schnittansicht des Ausführungsbeispiels gemäß 7.
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In 1 und 2 ist
ein erfindungsgemäßes Linearwälzlager
ganz allgemein mit 10 bezeichnet. Es umfasst eine Führungsschiene 12,
die sich in einer Längsrichtung L erstreckt und auf einem
lediglich in 2 angedeuteten Untergrund U
montiert ist, und einen Führungswagen 14, der über
jeweils eine Mehrzahl von Wälzkörpern 16 umfassenden
Wälzkörperumläufe 18 auf der
Führungsschiene 12 in deren Längsrichtung
L verschiebbar gelagert ist.
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In
an sich bekannter Weise bilden die Wälzkörperumläufe 18 jeweils
einen in sich geschlossenen Endloskreislauf, der einen lasttragenden
Kanalabschnitt 18a, einen im Wesentlichen fastfreien Rückführkanalabschnitt 18b und
zwei nicht dargestellte, die beiden Enden der Kanalabschnitte 18a und 18b miteinander
verbindende Umlenkanalabschnitte aufweist, wobei die Umlenkkanalabschnitte in
den beiden am Hauptkörper 14a des Führungswagens 14 befestigten
Endkappen 14b ausgebildet sind. Die sich im lasttragenden
Kanalabschnitt 18a befindenden Wälzkörper 16 stützen
sich auf Seiten des Führungswagens 14 an einer
Wälzfläche 20 und auf Seiten der Führungsschiene 12 an
einer Gegenwälzfläche 22 ab, wobei sie
zwischen diesen beiden Flächen 20 und 22 einer
vorbestimmten Vorspannung unterworfen sind.
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Um
diese Vorspannung in jedem Betriebszustand des Linearwälzlagers 10 jeweils
auf einen geeigneten Wert einstellen zu können, ist das
Linearwälzlager 10 mit einer Piezo-Stelleinrichtung 24 versehen,
die in dem in den 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel einen einzigen Piezo-Aktor 26 umfasst.
Der Piezo-Aktor 26 ist in einem in Querrichtung Q verlaufenden
Durchgangsloch 14c des Führungswagen 14 aufgenommen
und wirkt dann, wenn an ihm eine elektrische Spannung angelegt wird,
mit seinen beiden, zur Querrichtung Q im Wesentlichen orthogonal
verlaufenden Stirnflächen auf zwei Schrauben 28 ein,
die in zwei Seitenstege 14d des Führungswagen 14 eingeschraubt
sind. Die beiden Seitenstege 14d stehen über Verbindungsstege 14e mit
dem Hauptkörper 14a des Führungswagen 14 in
Verbindung. In der dargestellten Ausführungsform sind auch
in den, in 2 unteren Hälften der Seitenstege 14d Schrauben 30 vorgesehen,
deren Stirnflächen seitlich am Hauptkörper 14a des
Führungswagens 14 anliegen.
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Wie
insbesondere in 2 dargestellt ist, ist der Hauptkörper 14a des
Führungswagens 14 im Wesentlichen U-förmig
ausgebildet. Die U-Form weist einen Basissteg 14a1 und
zwei Nebenstege 14a2 auf, welche die Führungsschiene 12 im
montierten Zustand des Linearwälzlagers 10 seitlich
umgreifen. Der Piezo-Aktor 26 ist dabei im Basissteg 14a1 angeordnet,
und die Schrauben 30 wirken seitlich auf die Nebenstege 14a2 ein.
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Der
vom Piezo-Aktor 26 verschiedene Teil der Piezo-Stelleinrichtung 24 ist, wie
insbesondere aus 2 zu ersehen ist, im Wesentlichen
H-förmig ausgebildet, wobei die Verbindungsstege 14e zusammen
mit dem Basissteg 14a1 des Hauptkörpers 14a des
Führungswagens 14 den Quersteg der H-Form bilden.
Für die Funktion der Piezo-Stelleinrichtung 24 ist
wesentlich, dass die Verbindungsstege 14e elastische Gelenke
bilden, welche ein Verschwenken der Seitenstege 14d unter
dem Einfluss des Piezo-Aktor 26 ermöglichen. Wird
nämlich an den Piezo-Aktor 26 eine elektrische
Spannung angelegt, so dehnt er sich in Querrichtung Q aus und drängt
die Schrauben 28 nach außen. Infolgedessen werden
die beiden Seitenstege 14d derart verschwenkt, dass sich
ihre in 2 unteren Steghälften
auf die Nebenstege 14a2 zu bewegen, so dass die Schrauben 30 diese
Nebenstege 14a2 gegen die Führungsschiene 12 drücken,
wobei die Vorspannung der Wälzkörper 16 zwischen
den Wälzflächen 20 und den Gegenwälzflächen 22 erhöht
wird. Durch entsprechende Wahl der an den Piezo-Aktor 26 angelegten
elektrischen Spannung kann die Vorspannung der Wälzkörper 16 auf
einen gewünschten Wert eingestellt werden.
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Eine
mechanische Grundvorspannung der Wälzkörper 16 kann
durch Auswahl von Wälzkörpern mit geeignetem Durchmesser
eingestellt werden. Darüber hinaus kann aber auch der Arbeitspunkt
der Piezo-Stelleinrichtung wunschgemäß eingestellt
werden. Hierzu dienen die Schrauben 30. Und zwar dienen
die Schrauben 30 zunächst dazu, ein etwaig vorhandenes
Spiel im Kraftübertragungsweg zwischen dem Piezo-Aktor 26 und
den Wälzkörpern 16 zu beseitigen. Beim
weiteren Festziehen der Schrauben 30 wird dann eine Vorspannung
auf den Piezo-Aktor 26 ausgeübt. Die diese Vorspannung
erzeugende Kraft resultiert dabei aus einer elastischen Verformung
der Verbindungsstege 14e. Festzuhalten ist, dass bei dieser
Einstellung des gewünschten Arbeitspunktes des Piezo-Aktors 26 die
Grundvorspannung der Wälzkörper 16 nur
in geringem Maße erhöht wird.
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Nachzutragen
ist noch, dass in der Oberfläche 14a3 des Basisstegs 14a1 des
Hauptkörpers 14a des Führungswagens 14 Montagelöcher 32 vorgesehen
sind, über welche eine durch das Linearwälzlager 10 zu
bewegende Baugruppe am Linearwälzlager 10 befestigt
werden kann.
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In
den 3 und 4 ist eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Linearwälzlagers
dargestellt, die im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß den 1 und 2 entspricht. Daher
sind in den 3 und 4 analoge
Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in den 1 und 2,
jedoch vermehrt um die Zahl 100. Darüber hinaus
wird das Linearwälzlager 110 im folgenden nur
insoweit beschrieben werden, als es sich vom Linearwälzlager 10 gemäß 1 und 2 unterscheidet,
auf dessen Beschreibung hiermit ansonsten ausdrücklich
verwiesen sei.
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Das
Linearwälzlager 110 gemäß 3 und 4 unterscheidet
sich vom Linearwälzlager 10 gemäß 1 und 2 zum
einen dadurch, dass die H-Form der Piezo-Stelleinrichtung 124 nicht
mit der U-Form des Führungswagens 114 einstückig,
sondern von dieser getrennt ausgebildet und mit dieser über
Schrauben 134 verbunden ist, und zum anderen dadurch, dass
die Montagelöcher 132 nicht im Hauptkörper 114a des
Führungswagens 114 vorgesehen sind, sondern in
einem sowohl den Führungswagen 114 als auch die
Piezo-Stelleinrichtung 124 überdeckenden übergeordneten
Bauteil 136.
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Gemäß Vorstehendem
sind in die Seitenstege 124a und der Verbindungssteg 124b der
H-Form der Piezo-Stelleinrichtung 124 vom Führungswagen 114 gesondert
ausgebildet. Wie in 4 dargestellt ist, ist der Piezo-Aktor 126 in
einer Ausnehmung 124c der H-Form aufgenommen. Ansonsten
entspricht die Piezo-Stelleinrichtung 124, insbesondere hinsichtlich
der Anordnung und Funktion der Schrauben 128 und 130,
der Piezo-Stelleinrichtung 24 gemäß 1 und 2.
Nachzutragen ist noch, dass die Schrauben 134 Durchgangslöcher
des Verbindungsstegs 124b durchsetzen.
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Das übergeordnete
Bauteil 136 weist Seitenwandungen 136a auf, welche
bis zur Oberfläche des Führungswagens 114 herabreichen.
Darüber hinaus sind in zwei dieser Seitenwandungen 136a Ausnehmungen 136b vorgesehen, welche
einen Zugriff auf die Schrauben 128 ermöglichen.
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In
den 5 und 6 ist eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Linearwälzlagers
dargestellt, die im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß den 1 und 2 entspricht. Daher
sind in den 5 und 6 analoge
Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in den 1 und 2,
jedoch vermehrt um die Zahl 200. Darüber hinaus
wird das Linearwälzlager 210 im folgenden nur
insoweit beschrieben werden, als es sich von den vorstehend beschriebenen
Linearwälzlagern 10 und 110 unterscheidet,
auf deren Beschreibung hiermit ansonsten ausdrücklich verwiesen
sei.
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Das
Linearwälzlager 210 gemäß 5 und 6 unterscheidet
sich vom Linearwälzlager 10 gemäß 1 und 2 dadurch,
dass zwar einerseits die Seitenstege 224a der Piezo-Stelleinrichtung 224 vom
Führungswagen 214 getrennt ausgebildet sind, dass
aber andererseits das Hauptteil 214a des Führungswagens 214 als
Quersteg der H-Form der Piezo-Stelleinrichtung 224 genutzt
wird. Hierzu sind die Seitenstege 224a über die
Schrauben 30 ersetzende Schrauben 238 fest mit
den Nebenstegen 214a2 des Hauptkörpers 214a des
Führungswagens 214 verschraubt.
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Um
eine Längsrichtung L des Führungswagens 214 gleichmäßig
verteilte Vorspannung auf die Wälzkörper 216 erzielen
zu können, sind die Seitenstege 224a über
eine Vielzahl von über die Länge des Führungswagens 214 gleichmäßig
verteilten Schrauben 238 mit dem Führungswagen 214 verbunden.
Darüber hinaus ist der Piezo-Aktor 226 nicht wie
bei der Ausführungsform gemäß 1 und 2 in
einem geschlossenen Durchgang 14c angeordnet, sondern in
einer in Höhenrichtung H nach oben offenen Ausnehmung 214c.
Grundsätzlich ist es jedoch auch denkbar, ihn ebenfalls
in einem geschlossenen Durchgang anzuordnen, genauso wie es denkbar
ist, den Piezo-Aktor 26 gemäß 1 und 2 in
einer in Höhenrichtung H nach oben offenen Ausnehmung anzuordnen.
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Anzumerken
ist schließlich ferner, dass die Wälzkörper 216 bei
der Ausführungsform gemäß 5 und 6 von
Kugeln gebildet sind und nicht von Rollen, wie in den bevorstehenden
Ausführungsformen. Es versteht sich jedoch von selbst,
dass bei jeder der in dieser Anmeldung dargestellten Ausführungsformen
die jeweils geeignetste Wälzkörpergestalt in Abhängigkeit
des jeweiligen Anwendungsfalles frei wählbar ist.
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In
den 7, 8 und 9 ist eine
weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Linearwälzlagers dargestellt, die im Wesentlichen der Ausführungsform
gemäß den 5 und 6 entspricht.
Daher sind in den 7, 8 und 9 analoge
Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in den 5 und 6,
jedoch vermehrt um die Zahl 100, also im Vergleich zu den 1 und 2 vermehrt
um die Zahl 300. Darüber hinaus wird das Linearwälzlager 310 im
folgenden nur insoweit beschrieben werden, als es sich von dem Linearwälzlager 210 gemäß 5 und 6,
aber auch von den Linearwälzlagern 10 und 110 gemäß 1 bis 4 unterscheidet,
auf deren Beschreibung hiermit ansonsten ausdrücklich verwiesen
sei.
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Das
Linearwälzlager 310 gemäß 7 bis 9 unterscheidet
sich von dem Linearwälzlager 210 gemäß 5 und 6 dadurch,
dass zwei Piezo-Aktoren 326 vorgesehen sind, die in Längsrichtung
L vor bzw. hinter dem Hauptkörper 314a des Führungswagens 314 angeordnet
sind. Wie bei der Ausführungsform gemäß 5 und 6 sind
die Seitenstege 324a der Piezo-Stelleinrichtung 324 über
Schrauben 338 fest mit dem Führungswagen 314 verschraubt,
und so wiederum über eine Mehrzahl von über die
Länge des Führungswagens 314 gleichmäßig
verteilten Schrauben 338.
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Die
Ausführungsform gemäß 7 bis 9 hat
gegenüber der Ausführungsform gemäß 5 und 6 den
Vorteil, dass der Führungswagen 314 abgesehen
von den Gewindebohrungen für die Schrauben 338 ein
herkömmlicher Führungswagen sein kann und nicht
wie der Führungswagen 214 durch die Ausnehmung 214c geschwächt
zu werden braucht.
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Sowohl
zur Ausführungsform gemäß 5 und 6 als
auch zur Ausführungsform gemäß 7 bis 9 ist
noch nachzutragen, dass die Piezo-Stelleinrichtung im Wesentlichen
auf der gleichen Höhe angeordnet sein kann wie der Quersteg
der H-Form. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Vorspannung
des Linearwälzlagers durch die Piezo-Stelleinrichtung abgesenkt
wird, weil der Quersteg durch die Piezo-Stelleinrichtung gedehnt
wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6174084
B1 [0002, 0002]
- - EP 0936366 B1 [0006]