DE102009060528B4 - Apparatus and method for testing a ball screw - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur Prüfung eines Kugelgewindetriebs mit einer Kugelmutter (8) und einer in der Kugelmutter (8) über Kugeln geführten Spindel (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung folgendes aufweist:
– einen Rahmen mit einer Aufnahme (2) für die Halterung der Spindel (3),
– eine Halterung für die Kugelmutter (8),
– wenigstens einen Wegaufnehmer (17) für die Messung der relativen Position der Spindel (3) zu der Kugelmutter (8) in Richtung einer Z-Achse,
– wenigstens einen Drehwinkelaufnehmer (6) für die Messung der rotatorischen Position der Kugelmutter (8) und/oder der Spindel (3),
– Vorspannmittel (18, 19) zur Erzeugung einer Vorspannung der Kugelmutter (8) gegen die Spindel (3) als Axialkraft in Richtung der Z-Achse, sowie
– wenigstens ein Antriebsmittel (4) zur Drehung der Kugelmutter (8) und/oder der Spindel (3) im Betrieb.Device for testing a ball screw with a ball nut (8) and a ball (3) guided in the ball nut (8) by means of balls, characterized in that the device has the following:
A frame with a receptacle (2) for holding the spindle (3),
A holder for the ball nut (8),
At least one displacement transducer (17) for measuring the relative position of the spindle (3) to the ball nut (8) in the direction of a Z-axis,
At least one rotational angle sensor (6) for measuring the rotational position of the ball nut (8) and / or the spindle (3),
- Biasing means (18, 19) for generating a bias of the ball nut (8) against the spindle (3) as an axial force in the direction of the Z-axis, and
- At least one drive means (4) for rotating the ball nut (8) and / or the spindle (3) during operation.

Figure DE102009060528B4_0001
Figure DE102009060528B4_0001

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Prüfung eines Kugelgewindetriebs mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.The present invention relates to a device and a method for testing a ball screw with the features of the preamble of claim 1.

Bei Kraftfahrzeuglenkungen werden die herkömmlichen hydraulischen Servolenkungen zunehmend durch elektromechanische Servolenkungen ersetzt. Eine Bauart dieser elektromechanischen Servolenkungen sieht vor, dass eine Zahnstange neben der üblichen Ritzelverzahnung auch mit einem Schraubengewinde versehen ist, auf dem ein Kugelumlauf läuft. Dieser Kugelumlauf wird im Betrieb von einem elektrischen Servomotor angetrieben und bewirkt eine Hilfskraft in Axialrichtung der Zahnstange.In automotive steering systems, the conventional hydraulic power steering systems are increasingly being replaced by electromechanical power steering systems. One type of electromechanical power steering system provides that a toothed rack, in addition to the usual pinion toothing, is also provided with a screw thread on which a ball circulation runs. This recirculating ball is driven in operation by an electric servomotor and causes an auxiliary force in the axial direction of the rack.

Bei dieser Anwendung werden besonders hohe Anforderungen an das Geräuschverhalten des Kugelgewindetriebs, an dessen Tragfähigkeit und seine Lebensdauer gestellt. Gleichzeitig sollen die Fertigungskosten gering gehalten werden.In this application, particularly high demands are placed on the noise behavior of the ball screw, on its load capacity and its life. At the same time, the production costs should be kept low.

Die Qualität des Getriebes wird neben den verwendeten Materialien insbesondere auch durch die Präzision der Bearbeitungsprozesse bestimmt. Maßgebliche Faktoren sind hier das Axialspiel des Kugelgewindetriebs sowie das Kippspiel. Zur Prüfung eines einzelnen Kugelgewindetriebs wird derzeit eine statische Messung des Spiels an einer oder mehreren Stellen des Kugelgewindetriebs mit einer definierten Kraft vorgenommen. Das Spiel wird dabei je nach Prüfmethode durch Weg- oder Winkelmessungen auf genommen.In addition to the materials used, the quality of the gear unit is determined in particular by the precision of the machining processes. Decisive factors here are the axial play of the ball screw and the tilting play. To test a single ball screw a static measurement of the game is currently made at one or more points of the ball screw with a defined force. The game is taken depending on the test method by way or angle measurements.

Für die Prüfung von Stirnrädergetrieben ist es aus der Offenlegungsschrift WO 2004/034010 A1 bekannt, bei zwei über einen Verzahnungseingriff miteinander in Verbindung stehenden Wellen die Wellen mit Winkelaufnehmern zu versehen und das Getriebe einmal schiebend und einmal ziehend in Betrieb zu setzen, bis jeder Zahn des einen Getrieberades mit jedem Zahn des zweiten Getrieberades in Kontakt gekommen ist. Über die Datenaufnahme der Drehwinkelsensoren ist dann das Zahnflankenspiel jedes möglichen mechanischen Kontakts der Zahnflanken auswertbar. Axialspielmessungen sind hierbei nicht vorgesehen.For the examination of spur gears, it is from the published patent application WO 2004/034010 A1 It is known to provide the shafts with angular receivers in two shafts which are connected to one another via a toothing engagement and to put the transmission into operation once, once, until each tooth of one gear wheel has come into contact with each tooth of the second gear wheel. By means of the data acquisition of the rotational angle sensors, the backlash of every possible mechanical contact of the tooth flanks can then be evaluated. Axialspielmessungen are not provided here.

Ein Messverfahren für das Axialspiel eines Elektromotors ist aus der Offenlegungsschrift DE 103 16 940 A9 bekannt. Hierbei wird die Position eines Rotors des Elektromotors mit einem Abstandssensor erfasst und der Rotor durch Druckluft jeweils in eine der beiden Endlagen des Axialspiels gedrängt. Der Abstandsensor ermittelt dabei die Differenz der Endlagenpositionen und hieraus das Axialspiel der Lagerung. Ein Getriebespiel in mehreren Positionen wird nicht erfasst.A measuring method for the axial clearance of an electric motor is known from the published patent application DE 103 16 940 A9 known. Here, the position of a rotor of the electric motor is detected with a distance sensor and the rotor urged by compressed air in each case in one of the two end positions of the axial play. The distance sensor determines the difference between the end position positions and from this the axial play of the bearing. A gear play in several positions is not recorded.

Die Offenlegungsschrift WO 82/04477 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Messung des Axialspiels in einem Spindeltrieb, bei der die Drehwinkeldifferenz beim Erreichen einer bestimmten Axialposition in den beiden Bewegungsrichtungen erfasst wird. Die Offenlegungsschrift DE 28 01 986 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Verschleiß der Mutter in einem Spindeltrieb, wobei die Mutter mittels der Spindel gegen einen Anschlag gefahren wird und der Drehwinkel der Spindel aufgenommen. Dieser Drehwinkel wird dann mit einem im Neuzustand der Mutter ermittelten Messwert verglichen und daraus der Verschleißzustand der Mutter berechnet.The publication WO 82/04477 A1 shows a device for measuring the axial clearance in a spindle drive, in which the rotational angle difference is detected when reaching a certain axial position in the two directions of movement. The publication DE 28 01 986 A1 describes a method and an apparatus for measuring wear of the nut in a spindle drive, wherein the nut is driven by means of the spindle against a stop and recorded the angle of rotation of the spindle. This angle of rotation is then compared with a measured value determined in the new condition of the nut and from this the wear condition of the nut is calculated.

Die Druckschrift JP 01 257 235 A1 offenbart eine Messvorrichtung zur Bestimmung des Axialspiels und der axialen Steifigkeit eines Kugelgewindetriebs, bei der die Gewindespindel und die Kugelmutter während des Messvorgangs in Ruhe verbleiben. Der Kugelgewindetrieb wird bei der Messung mit einer Axialkraft beaufschlagt, so dass jeder Messvorgang das Spiel und die Steifigkeit in jeweils einer Position bestimmt.The publication JP 01 257 235 A1 discloses a measuring device for determining the axial clearance and the axial stiffness of a ball screw, in which the threaded spindle and the ball nut remain at rest during the measuring process. The ball screw is subjected to an axial force during the measurement, so that each measurement determines the play and the rigidity in one position.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung des Getriebespiels eines Kugelgewindetriebs anzugeben, mit dem das Axialspiel dynamisch über den gesamten Bewegungsbereich des Getriebes ermittelt werden kann.It is therefore an object of the present invention to provide an apparatus and a method for determining the backlash of a ball screw, with which the axial play can be determined dynamically over the entire range of motion of the transmission.

Weil die Prüfvorrichtung einen Rahmen mit einer Aufnahme für die Halterung der Spindel, eine Halterung für die Kugelmutter, wenigstens einen Wegaufnehmer für die Messung der relativen Position der Spindel zu der Kugelmutter in Richtung einer z-Achse, wenigstens einen Drehwinkelaufnehmer für die Messung der rotatorischen Position der Kugelmutter und/oder der Spindel, Vorspannmittel zur Erzeugung einer Vorspannung der Kugelmutter gegen die Spindel als Axialkraft in Richtung der z-Achse, sowie wenigstens ein Antriebsmittel zur Drehung der Kugelmutter und/oder der Spindel um die z-Achse im Betrieb aufweist, kann über den gesamten Verfahrweg des Kugelgewindetriebs die axiale Position in Abhängigkeit von dem Drehwinkel aufgezeichnet werden, und zwar in beiden in der Praxis auftretenden Lastrichtungen. Es ergibt sich folglich die vollständige Information über das Spiel des Kugelgewindetriebs in jeder möglichen Position und in beiden Lastrichtungen.Because the testing device comprises a frame with a holder for holding the spindle, a holder for the ball nut, at least one displacement transducer for measuring the relative position of the spindle to the ball nut in the direction of a z-axis, at least one Drehwinkelaufnehmer for the measurement of the rotational position the ball nut and / or the spindle, biasing means for generating a bias of the ball nut against the spindle as an axial force in the direction of the z-axis, and at least one drive means for rotating the ball nut and / or the spindle about the z-axis in operation, can be recorded over the entire travel of the ball screw, the axial position in response to the rotation angle, in both occurring in practice load directions. It follows, therefore, the complete information about the game of ball screw in any position and in both load directions.

Wenn die Halterung der Spindel einerseits eine drehbar gelagerte Aufnahme und andererseits eine antriebsmäßig mit dem Antriebsmittel gekoppelte Aufnahme aufweist, kann die Spindel zwischen diesen beiden Aufnahmen eingespannt werden und von dem Antriebsmittel in Drehung versetzt werden. Die Kugelmutter dreht sich bei dieser Ausführung nicht. Wenn die drehbar gelagerte Aufnahme der Halterung ein Führungsdorn ist, kann in besonders einfacher Weise eine als zahnstangenartiges Getriebeelement ausgebildete Spindel einer Kraftfahrzeuglenkung aufgespannt werden. Vorzugsweise ist der Führungsdorn mit dem Drehwinkelaufnehmer gekoppelt und gegenüber dem Antriebsmittel angeordnet.If the holder of the spindle on the one hand has a rotatably mounted receptacle and on the other hand a drivingly coupled to the drive means receptacle, the spindle can be clamped between these two receptacles and are rotated by the drive means in rotation. The ball nut does not rotate in this design. If the rotatably mounted receptacle of the holder is a guide pin, a spindle designed as a rack-like transmission element of a motor vehicle steering system can be clamped in a particularly simple manner. Preferably, the guide pin is coupled to the Drehwinkelaufnehmer and disposed opposite to the drive means.

Die Halterung der Kugelmutter weist bevorzugt einen Spanntopf auf, der die Kugelmutter fest einspannt, wobei der Spanntopf gegenüber der Halterung in Richtung der z-Achse fixiert, jedoch winkelbeweglich gegenüber der z-Achse gelagert ist. Besonders vorteilhaft ist eine kardanische Lagerung. Diese Winkelbeweglichkeit erlaubt der Kugelmutter eine Taumelbewegung um die z-Achse zum Ausgleich von Fluchtungsfehlern zwischen der Achse der Kugelmutter und der Achse der Spindel. Auf diese Weise wird vermieden, dass ein zu kleines Axialspiel gemessen wird.The holder of the ball nut preferably has a clamping pot which clamps the ball nut firmly, wherein the clamping pot is fixed relative to the holder in the direction of the z-axis, but angularly movable relative to the z-axis is mounted. Particularly advantageous is a gimbal bearing. This angular mobility allows the ball nut to wobble about the z axis to compensate for misalignment between the axis of the ball nut and the spindle axis. In this way it is avoided that a too small axial clearance is measured.

Das Vorspannmittel bewirkt eine Vorspannung der Kugelmutter in Richtung der z-Achse, und zwar sowohl in positiver als auch in negativer z-Richtung. Es weist vorzugsweise einen Antrieb und ein zwischen dem Antrieb und dem Spindeltrieb eingeschaltetes Federmittel auf. Das Federmittel baut die axiale Vorspannkraft auf, während der Antrieb die Vorspannung über den Verfahrweg der Kugelmutter bei einer Messung nachführt.The biasing means biases the ball nut in the z-axis direction, in both the positive and negative z directions. It preferably has a drive and a switched between the drive and the spindle drive spring means. The spring means builds up the axial preload force while the drive tracks the preload over the travel of the ball nut during a measurement.

Besonders günstige Messverhältnisse ergeben sich, wenn die Halterung der Kugelmutter mit dem wenigstens einen Wegaufnehmer und dem Vorspannmittel gekoppelt ist. Vorzugsweise sind zwei Wegaufnehmer vorgesehen, die mit der Halterung oder dem Spanntopf verbunden sind und die sich bezüglich der z-Achse etwa gegenüber liegen. Eine Taumelbewegung der Kugelmutter führt zu einer Überlagerung des Signals eines Wegaufnehmers mit der Taumelbewegung. Wenn zwei Wegaufnehmer vorgesehen sind, können derartige Überlagerungen rechnerisch eliminiert werden.Particularly favorable measuring conditions arise when the holder of the ball nut is coupled to the at least one displacement transducer and the biasing means. Preferably, two displacement sensors are provided, which are connected to the holder or the clamping pot and which lie approximately opposite one another with respect to the z-axis. A tumbling motion of the ball nut leads to a superposition of the signal of a transducer with the wobbling motion. If two transducers are provided, such superimpositions can be computationally eliminated.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Prüfung eines Kugelgewindetriebs vorgeschlagen, bei dem folgende Schritte vorgesehen sind:
Einspannen der Kugelmutter in eine Halterung, Einspannen der Spindel in eine Halterung, die eine antriebslos drehbare und eine antreibbare Aufnahme umfasst, Vorspannen der Kugelmutter in z-Richtung gegen die Spindel, Verfahren der Kugelmutter gegenüber der Spindel durch angetriebene Rotation der Kugelmutter oder der Spindel um die z-Achse unter Aufrechterhaltung der Vorspannung sowie Aufnehmen der Position der Kugelmutter relativ zu der Spindel in z-Richtung und gleichzeitiges Aufnehmen der relativen Winkelposition. Auf diese Weise kann mit dem Verfahren das Axialspiel des Kugelgewindetriebs über die gesamte nutzbare Länge ermittelt werden.According to the invention, a method for testing a ball screw is proposed in which the following steps are provided:
Clamping the ball nut in a holder, clamping the spindle in a holder comprising a non-driven rotatable and a drivable recording, biasing the ball nut in the z direction against the spindle, moving the ball nut relative to the spindle by driven rotation of the ball nut or the spindle to the z-axis while maintaining the bias and recording the position of the ball nut relative to the spindle in the z-direction and simultaneously recording the relative angular position. In this way, with the method, the axial play of the ball screw over the entire usable length can be determined.

Vorzugsweise wird bei dem Verfahren die Spindel in Rotation versetzt während die Kugelmutter drehfest gehalten ist. Der mit Kugelgewinde versehene Teil der Spindel wird vorzugsweise vollständig in beide Drehrichtungen der Kugelmutter abgefahren. Das Flankenspiel wird vorzugsweise in beide Lastrichtungen gemessen, wobei die Richtung der Vorspannung der Kugelmutter bei dem Wechsel der Rotationsrichtung der Gewindespindel ebenfalls gewechselt wird. Dabei kann entweder so verfahren werden, dass die Vorspannung bei beiden Rotationsrichtungen in Bewegungsrichtung der Kugelmutter aufgebracht wird, oder dass die Vorspannung bei beiden Rotationsrichtungen der Spindel immer gegen die Bewegungsrichtung wirkt. Im ersten Fall wird von einer schiebenden Vorspannung gesprochen, im zweiten Fall von einer ziehenden Vorspannung. Es ergeben sich Unterschiedliche Messergebnisse, aus deren Vergleich sich auf die Oberflächenqualität schließen lässt. Für eine besonders aussagekräftige Prüfung werden beide Messungen durchgeführt.Preferably, in the method, the spindle is rotated while the ball nut is held against rotation. The part of the spindle provided with a ball screw is preferably traveled completely in both directions of rotation of the ball nut. The backlash is preferably measured in both load directions, wherein the direction of the bias of the ball nut is also changed when changing the rotational direction of the threaded spindle. It can either be moved so that the bias is applied in both directions of rotation in the direction of movement of the ball nut, or that the bias in both directions of rotation of the spindle always acts against the direction of movement. In the first case is spoken by a sliding bias, in the second case of a pulling bias. This results in different measurement results, from the comparison can be concluded on the surface quality. For a particularly meaningful test both measurements are carried out.

Bei der Auswertung werden vorzugsweise die Messwerte des Drehwinkelaufnehmers in Relation zu den Messwerten des wenigstens einen Wegaufnehmers gesetzt, so dass sich eine Messkurve über den gesamten nutzbaren Bereich ergibt. Es werden vorzugsweise die Differenzen der Messwerte des wenigstens einen Wegaufnehmers an gegebenen Drehwinkelpositionen in beiden Lastrichtungen erfasst. Zur Auswertung können dann die Maximalwerte und/oder das Integral der Differenzen zur Beurteilung der Fertigungsqualität des Kugelgewindetriebs herangezogen werden.In the evaluation, the measured values of the rotational angle recorder are preferably set in relation to the measured values of the at least one displacement transducer, so that a measurement curve results over the entire usable range. Preferably, the differences in the measured values of the at least one displacement transducer are detected at given rotational angle positions in both load directions. For evaluation, the maximum values and / or the integral of the differences can then be used to assess the manufacturing quality of the ball screw drive.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt:Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. It shows:

1: Eine Vorrichtung zur Prüfung eines Kugelgewindetriebs in einer schematischen Darstellung in einem Längsschnitt entlang der z-Achse. 1 : A device for testing a ball screw in a schematic representation in a longitudinal section along the z-axis.

Die 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Prüfung eines Kugelwindetriebs in einem Längsschnitt entlang der z-Achse. Die z-Achse ist in der Praxis vorzugsweise vertikal angeordnet, um einen Einfluss der Gravitation quer zur z-Achse auszuschließen.The 1 schematically shows a device for testing a ball wind operation in a longitudinal section along the z-axis. In practice, the z-axis is preferably arranged vertically in order to exclude an influence of the gravitation transverse to the z-axis.

Die Vorrichtung ruht auf einem Sockel 1, der über einen nicht dargestellten Rahmen auch die anderen Komponenten der Vorrichtung stützt. Im Einzelnen ist die Vorrichtung mit einer oberen drehbaren Aufnahme 2 für eine Gewindespindel 3 ausgestattet. Die Aufnahme 2 ist mit einem Antriebsmotor 4 zur Drehung um eine z-Achse Z gekoppelt. Das gegenüberliegende, untere Ende der Gewindespindel 4 ist auf einen Führungsdorn 5 aufgesetzt, der drehbar um die z-Achse auf einem Winkelaufnehmer 6 gelagert ist.The device rests on a pedestal 1 , which also supports the other components of the device via a frame, not shown. In particular, the device is provided with an upper rotatable receptacle 2 for a threaded spindle 3 fitted. The recording 2 is with a drive motor 4 coupled to rotate about a z-axis Z. The opposite, lower end of the threaded spindle 4 is on a guide pin 5 mounted, which is rotatable about the z-axis on a Winkelaufnehmer 6 is stored.

Die Vorrichtung umfasst weiter eine Halterung für eine Kugelmutter 8. Die Halterung ist aus mehreren Bauelementen zusammengesetzt. Sie umfasst eine Sockelplatte 10 und Führungselemente 11. Zwischen den Führungselementen ist ein Spanntopf 12 über mehrere Schwenklager 13 kardanisch gelagert. Der Spanntopf 12 ist mit einer oberen Verschlussplatte 14 versehen, die die Kugelmutter 8 fest gegen eine untere umlaufende Fase 15 drängt. Die Führungen 11 sind selbst auf senkrechten, auf dem Sockel 1 befestigten Führungsstangen 16 parallel zur z-Achse verschieblich gelagert. Zwei Wegaufnehmer 17 erfassen die Positionen des Spanntopfs 12 linear in Richtung der z-Achse. Die Wegaufnehmer 17 sind von der Bauart her an sich bekannt. Sie weisen bevorzugt eine lineare Auflösung von etwa 0,01 mm auf.The device further comprises a holder for a ball nut 8th , The holder is composed of several components. It includes a base plate 10 and guide elements 11 , Between the guide elements is a clamping pot 12 over several pivot bearings 13 gimbaled. The tension pot 12 is with an upper closure plate 14 provided the ball nut 8th firmly against a lower circumferential chamfer 15 urges. The guides 11 are themselves on vertical, on the pedestal 1 attached guide rods 16 slidably mounted parallel to the z-axis. Two transducers 17 capture the positions of the clamping pot 12 linear in the direction of the z-axis. The transducers 17 are known per se in design. They preferably have a linear resolution of about 0.01 mm.

Unterhalb der Trägerplatte 10 sind Aktuatoren 18 vorgesehen, die an dem Sockel 1 befestigt sind und die über geeignete Druck- und Zugmittel 19 eine möglichst konstante Kraft über die Platte 10, die Führungen 11, die Lager 13 und den Spanntopf 12 auf die Kugelmutter 8 ausüben. Die konstante Kraft kann wahlweise in positiver oder negativer z-Richtung aufgebracht werden. In der 1 ist die positive z-Richtung nach oben gerichtet, die negative z-Richtung ist nach unten gerichtet.Below the carrier plate 10 are actuators 18 provided on the pedestal 1 are attached and the appropriate pressure and traction means 19 a constant force over the plate 10 , the guides 11 , camps 13 and the tension pot 12 on the ball nut 8th exercise. The constant force can be applied either in positive or negative z-direction. In the 1 If the positive z-direction is upward, the negative z-direction is directed downward.

Eine Datenerfassungseinrichtung zeichnet die Messwerte des Drehwinkelgebers 6 und der Wegsensoren 17 während des Betriebs auf. Diese Datenerfassungseinrichtung ist nicht dargestellt.A data acquisition device records the measured values of the rotary encoder 6 and the displacement sensors 17 during operation. This data acquisition device is not shown.

Sie steuert bevorzugt auch die gesamte Vorrichtung.It also preferably controls the entire device.

Bei der Verwendung der insoweit beschriebenen Vorrichtung zur Messung des Axialspiels des Kugelgewindetriebs, der die Gewindespindel 3 und die Kugelmutter 8 sowie die in der 1 nicht dargestellten Kugeln umfasst, wird zunächst die Kugelmutter 8 in den Spanntopf 12 eingesetzt. Sodann wird die Gewindespindel 3 in die Kugelmutter 8 eingespindelt und danach zwischen den Führungsdorn 5 und die Aufnahme 2 eingespannt. Der Führungsdorn 5 und die Aufnahme 2 sind so gestaltet, dass die Gewindespindel zu der z-Achse zentriert ist.When using the device described so far for measuring the axial clearance of the ball screw, the threaded spindle 3 and the ball nut 8th as well as in the 1 includes balls, not shown, is first the ball nut 8th in the tension pot 12 used. Then the threaded spindle 3 into the ball nut 8th spindled and then between the guide pin 5 and the recording 2 clamped. The guide pin 5 and the recording 2 are designed so that the threaded spindle is centered to the z-axis.

Die Kugelmutter 8 wird in den Spanntopf 12 durch Anziehen des Deckels 14 eingespannt, wobei sie sich durch Anlage an die Fase 15 gegenüber der Spindel 3 zentriert. Eventuelle Fluchtungsfehler zwischen der Längsachse der Kugelmutter 8 und der Gewindespindel 3 werden durch die Lagerung 13 ausgeglichen. Die Kugelmutter 8 befindet sich zu Beginn eines Messvorgangs an ihrer äußersten unteren Position, in der 1 in der Extremstellung in negativer z-Richtung.The ball nut 8th gets into the tension pot 12 by tightening the lid 14 clamped, whereby they by plant to the chamfer 15 opposite the spindle 3 centered. Possible misalignment between the longitudinal axis of the ball nut 8th and the threaded spindle 3 be through the storage 13 balanced. The ball nut 8th is at the beginning of a measuring process at its extreme lower position, in the 1 in the extreme position in negative z-direction.

Über die Aktuatoren 18 und die Kraftübertragungsmittel 19 wird zu Beginn eines Messvorgangs eine axiale Vorspannung über die Platte 10 auf die Kugelmutter 8 gegeben. Sodann wird über den Antriebsmotor 2 die Spindel 3 in Rotation um die z-Achse versetzt. Die Kugelmutter 3 bewegt sich folglich in Richtung positiver z-Richtung, in der 1 nach oben. Die Daten des sich mitdrehenden Führungsdorns 5, der den Winkelgeber 6 antreibt, werden von einer Datenerfassungseinrichtung simultan zu den Daten der Wegaufnehmer 17 aufgezeichnet, so dass eine Messwertreihe für den Weg in z-Richtung in Abhängigkeit von dem Drehwinkel entsteht. Über den gesamten möglichen Verfahrweg wird die Halterung an den Führungsstangen 16 spielfrei geführt. Ebenso wird über den gesamten Verfahrweg von den Aktuatoren 18 die Vorspannung in z-Richtung konstant gehalten. Hier kommen als Aktuatoren beispielsweise Spindeltriebe in Frage, die über Druck- oder Zugfedern mit der Platte 10 gekoppelt sind, zum Einsatz. Es ist auch möglich, pneumatische oder hydraulische Aktuatoren vorzusehen.About the actuators 18 and the power transmission means 19 At the beginning of a measuring process, an axial preload is applied across the plate 10 on the ball nut 8th given. Then it is via the drive motor 2 the spindle 3 offset in rotation about the z-axis. The ball nut 3 thus moves in the direction of positive z-direction, in the 1 up. The data of the co-rotating guide pin 5 who is the angle giver 6 drives, the data from a data acquisition device simultaneously to the data of the transducer 17 recorded, so that a series of measurements for the path in the z-direction as a function of the angle of rotation arises. Over the entire possible travel, the holder is on the guide rods 16 guided free of play. Similarly, over the entire travel of the actuators 18 the bias in the z-direction kept constant. Here come as actuators, for example spindle drives in question, the pressure or tension springs with the plate 10 are coupled to use. It is also possible to provide pneumatic or hydraulic actuators.

In positiver z-Richtung wird also zunächst die Kugelmutter 8 über die Drehung der Gewindespindel 3 von unten nach oben verfahren und dabei das Signal der Wegaufnehmer 17 in Abhängigkeit von dem Signal des Drehwinkelgebers 6 aufgezeichnet. Die Vorspannung der Aktuatoren 18 kann dabei in positiver z-Richtung oder in negativer z-Richtung aufgebracht werden, so dass die Kugeln, die den mechanischen Kraftschluss zwischen der Spindel 3 und der Kugelmutter 8 bewirken, gegen die obere oder die untere Flanke des Kugelgewindes der Spindel 3 gedrängt werden. Nach dem die Kugelmutter 8 in Ihrer Endstellung in positiver z-Richtung, in der 1 also oben, am Ende des Kugelgewindes angekommen ist, wird die Drehrichtung des Antriebsmotors 4 umgekehrt, so dass sich die Spindel in der entgegen gesetzten Richtung um die z-Achse dreht. Gleichzeitig wird die Vorspannung, die durch die Aktuatoren 18 aufgebracht wird, umgekehrt. Vorzugsweise bleibt der Betrag der Vorspannkraft erhalten, die Richtung wechselt. Dadurch wird die jeweils andere Flanke des Kugelgewindes mit der Vorspannung beaufschlagt. Die Kugelmutter 8 wandert in negativer z-Richtung, in der 1 also nach unten. Wieder werden die Signale der Wegaufnehmer 17 in Abhängigkeit von dem Signal des Drehwinkelgebers 6 aufgezeichnet.In the positive z-direction, therefore, first the ball nut 8th about the rotation of the threaded spindle 3 from bottom to top and thereby the signal of the transducer 17 depending on the signal of the rotary encoder 6 recorded. The bias of the actuators 18 can be applied in positive z-direction or in negative z-direction, so that the balls, the mechanical frictional connection between the spindle 3 and the ball nut 8th cause, against the upper or the lower edge of the ball screw of the spindle 3 be urged. After the ball nut 8th in its end position in positive z-direction, in the 1 So above, arrived at the end of the ball screw, the direction of rotation of the drive motor 4 vice versa, so that the spindle rotates in the opposite direction about the z-axis. At the same time, the bias caused by the actuators 18 is applied, vice versa. Preferably, the amount of the biasing force is maintained, the direction changes. As a result, the respective other flank of the ball screw is subjected to the bias voltage. The ball nut 8th migrates in the negative z direction, in the 1 So down. Again, the signals of the transducers 17 depending on the signal of the rotary encoder 6 recorded.

Es ergibt sich ein vollständiger Datensatz über die Abhängigkeit der Axialposition der Kugelmutter 8 in z-Richtung gegenüber dem Drehwinkel der Spindel 3 an beiden Flanken des Kugelgewindes und deshalb in beiden möglichen Lastrichtungen.This results in a complete data set on the dependence of the axial position of the ball nut 8th in z-direction with respect to the angle of rotation of the spindle 3 on both flanks of the ball screw and therefore in both possible load directions.

Das Axialspiel in z-Richtung ist dann in einer beliebigen Drehwinkelposition der Gewindespindel 3 als Differenz der Signale der Wegaufnehmer 17 in der einen und in der anderen Messrichtung ermittelbar. Weil der vollständige Datensatz über den gesamten Verfahrweg der Kugelmutter 8 auf dem Kugelgewinde der Spindel 3 vorliegt, kann das Vorliegen eines maximalen Axialspiels an einer beliebigen Position ermittelt werden. Es kann ebenso über den gesamten Verfahrweg die Summe der Differenzen der Wegaufnehmersignale berechnet werden, die dann ein Integral des Axialspiels ergibt. Diese Werte, oder auch andere geeignete Auswerteverfahren, geben eine Information über die Qualität des Kugelgewindetriebs und indirekt auch über den Zustand der Produktionsanlagen an.The axial play in the z-direction is then in any rotational angular position of the threaded spindle 3 as the difference of the signals of the transducers 17 can be determined in one direction and in the other direction of measurement. Because the full record over the entire travel of the ball nut 8th on the ball screw of the spindle 3 is present, the presence of a maximum axial play can be determined at any position. It can also be calculated over the entire travel the sum of the differences of Wegaufnehmersignale, which then gives an integral of the axial play. These values, or other suitable evaluation methods, provide information about the quality of the ball screw and indirectly also about the condition of the production equipment.

Während hier bevorzugt eine Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben werden, bei denen die Spindel eine Drehung um die Z-Achse ausführt und die Kugelmutter die entsprechende Linearbewegung ausführt, sind auch Verfahren und Vorrichtungen denkbar, bei denen die Kugelmutter rotiert und entweder die Kugelmutter selbst oder die Spindel die entsprechende Linearbewegung ausführt, die dann vermessen wird. In beiden Fällen ergibt sich ebenfalls ein Satz von Messwerten, die die gewünschte Information (Drehwinkel zur Linearposition) enthält. Der apparative Aufwand zur Erzielung einer hinreichenden Messgenauigkeit ist allerdings aus derzeitiger Sicht größer.While a device and a method are preferably described herein in which the spindle performs a rotation about the Z-axis and the ball nut performs the corresponding linear movement, and methods and devices are conceivable in which the ball nut rotates and either the ball nut itself or the Spindle performs the corresponding linear movement, which is then measured. In both cases, there is also a set of measured values which contains the desired information (angle of rotation to the linear position). However, the equipment required to achieve a sufficient measurement accuracy is greater from the current perspective.

Claims (15)

Vorrichtung zur Prüfung eines Kugelgewindetriebs mit einer Kugelmutter (8) und einer in der Kugelmutter (8) über Kugeln geführten Spindel (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung folgendes aufweist: – einen Rahmen mit einer Aufnahme (2) für die Halterung der Spindel (3), – eine Halterung für die Kugelmutter (8), – wenigstens einen Wegaufnehmer (17) für die Messung der relativen Position der Spindel (3) zu der Kugelmutter (8) in Richtung einer Z-Achse, – wenigstens einen Drehwinkelaufnehmer (6) für die Messung der rotatorischen Position der Kugelmutter (8) und/oder der Spindel (3), – Vorspannmittel (18, 19) zur Erzeugung einer Vorspannung der Kugelmutter (8) gegen die Spindel (3) als Axialkraft in Richtung der Z-Achse, sowie – wenigstens ein Antriebsmittel (4) zur Drehung der Kugelmutter (8) und/oder der Spindel (3) im Betrieb.Device for testing a ball screw with a ball nut ( 8th ) and one in the ball nut ( 8th ) via balls guided spindle ( 3 ), characterized in that the device comprises: - a frame with a receptacle ( 2 ) for holding the spindle ( 3 ), - a holder for the ball nut ( 8th ), - at least one transducer ( 17 ) for measuring the relative position of the spindle ( 3 ) to the ball nut ( 8th ) in the direction of a Z-axis, - at least one Drehwinkelaufnehmer ( 6 ) for the measurement of the rotational position of the ball nut ( 8th ) and / or the spindle ( 3 ), - biasing means ( 18 . 19 ) for generating a preload of the ball nut ( 8th ) against the spindle ( 3 ) as axial force in the direction of the Z-axis, and - at least one drive means ( 4 ) for rotating the ball nut ( 8th ) and / or the spindle ( 3 ) operational. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung der Spindel (3) einerseits eine drehbar gelagerte Aufnahme (5) und andererseits eine antriebsmäßig mit dem Antriebsmittel (4) gekoppelte Aufnahme (2) aufweist.Apparatus according to claim 1, characterized in that the holder of the spindle ( 3 ) on the one hand a rotatably mounted receptacle ( 5 ) and, on the other hand, one drivingly connected to the drive means ( 4 ) coupled recording ( 2 ) having. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbar gelagerte Aufnahme ein Führungsdorn (5) ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the rotatably mounted receiving a guide pin ( 5 ). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsdorn (5) mit dem Drehwinkelaufnehmer (6) gekoppelt ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the guide pin ( 5 ) with the Drehwinkelaufnehmer ( 6 ) is coupled. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung der Kugelmutter (8) einen Spanntopf (12) umfasst, der die Kugelmutter (8) fest einspannt, wobei der Spanntopf (12) gegenüber der Halterung in Richtung der Z-Achse fixiert, jedoch winkelbeweglich gegenüber der Z-Achse gelagert ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the holder of the ball nut ( 8th ) a tension pot ( 12 ), the ball nut ( 8th ), wherein the clamping pot ( 12 ) is fixed relative to the holder in the direction of the Z-axis, but is mounted angularly movable with respect to the Z-axis. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannmittel einen in Richtung der Z-Achse wirkenden Antrieb (18) und ein wirkungsmäßig zwischen dem Antrieb (18) und dem Spindeltrieb eingeschaltetes Federmittel umfasst.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the biasing means acting in the direction of the Z-axis drive ( 18 ) and a functionally between the drive ( 18 ) and the spindle drive switched spring means comprises. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung der Kugelmutter (8) mit dem wenigstens einen Wegaufnehmer (17) und dem Vorspannmittel (18, 19) gekoppelt ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the holder of the ball nut ( 8th ) with the at least one displacement sensor ( 17 ) and the biasing means ( 18 . 19 ) is coupled. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Wegaufnehmer (17) vorgesehen sind, die mit der Halterung oder dem Spanntopf (12) verbunden sind und die sich bezüglich der Z-Achse gegenüber liegen.Device according to one of the preceding claims, characterized in that two displacement sensors ( 17 ) are provided with the holder or the clamping pot ( 12 ) and which are opposite to each other with respect to the Z-axis. Verfahren zur Prüfung eines Kugelgewindetriebs mit einer Kugelmutter und einer in der Kugelmutter über Kugeln geführten Spindel, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Einspannen der Kugelmutter in einer Halterung; – Einspannen der Spindel in einer Halterung, die eine antriebslos drehbare und eine antreibbare Aufnahme umfasst; – Vorspannen der Kugelmutter in Z-Richtung gegen die Spindel; – Verfahren der Kugelmutter gegenüber der Spindel durch angetriebene Rotation der Kugelmutter oder der Spindel um die Z-Achse unter Aufrechterhaltung der Vorspannung; Aufnehmen der Position der Kugelmutter relativ zu der Spindel in Z-Richtung und gleichzeitiges Aufnehmen der relativen Winkelposition.Method for testing a ball screw with a ball nut and a ball guided in the ball nut over balls, characterized in that the method comprises the steps of: - clamping the ball nut in a holder; - Clamping the spindle in a holder comprising a non-rotatably rotatable and a drivable receptacle; - biasing the ball nut in the Z direction against the spindle; - Method of the ball nut relative to the spindle by driven rotation of the ball nut or the spindle about the Z-axis while maintaining the bias; Picking up the position of the ball nut relative to the spindle in the Z direction and simultaneously recording the relative angular position. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel in Rotation versetzt wird.A method according to claim 9, characterized in that the spindle is set in rotation. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel vollständig in beide Drehrichtungen mit der Kugelmutter abgefahren wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the spindle is traversed completely in both directions of rotation with the ball nut. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Vorspannung der Kugelmutter bei dem Wechsel der Rotationsrichtung ebenfalls wechselt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the direction of the bias of the ball nut in the change of rotation direction also changes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte des Drehwinkelaufnehmers in Relation zu den Messwerten des wenigstens einen Wegaufnehmers gesetzt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the measured values of the rotational angle sensor in relation to the measured values of a position transducer of the at least be set. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzen der Messwerte des wenigstens einen Wegaufnehmers an gegebenen Drehwinkelpositionen erfasst werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the differences of the measured values of the at least one displacement transducer are detected at given rotational angle positions. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximalwerte und/oder das Integral der Differenzen zur Beurteilung einer Fertigungsqualität verwendet werden.A method according to claim 14, characterized in that the maximum values and / or the integral of the differences are used to assess a manufacturing quality.
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