DE102013225467B4

DE102013225467B4 - Kugelgewindetrieb

Info

Publication number: DE102013225467B4
Application number: DE102013225467.9A
Authority: DE
Inventors: Benno Kathan
Original assignee: Ifm Diagnostic GmbH
Current assignee: IFM DIAGNOSTIC GMBH, DE
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2018-03-15
Anticipated expiration: 2033-12-11
Also published as: DE102013225467A1

Abstract

Kugelgewindetrieb
mit einer Spindel (5), einer Mutter (6) und einer wendelförmigen Laufbahn (7) für Kugeln (12) eines Wälzlagers, wobei die Laufbahn (7) aus einer in der Mutter (6) vorgesehenen Laufrille (7b) und einer in der Spindel (5) vorgesehenen Laufrille (7a) gebildet wird
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Mutter (6) eine Ausnehmung (10) vorgesehen ist, die bis unmittelbar an die Laufbahn (7) heranreicht, wobei der Boden der Ausnehmung (10) eine Membran (22) bildet, deren Wandstärke so bemessen ist, dass Kräfte die von vorbeilaufenden Kugeln (12) verursacht werden, eine Auslenkung der Membran (22) bewirken,
und dass an der Membran (22) ein Sensor (20) vorgesehen ist, der die von einer vorbeilaufenden Kugel (12) verursachte Membranauslenkung erfasst.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Kugelgewindetriebe werden bei Werkzeugmaschinen vielfach eingesetzt, um Lasten schnell linear zu bewegen bzw. genau zu positionieren. Dabei wird die Drehbewegung einer motorgetrieben Spindel mittels einer Mutter in eine Linearbewegung z. B. eines Maschinentisches umgesetzt. In der Mutter werden die Kugeln in einer schraubenförmigen Laufbahn geführt.
Aus der DE 692 30 137 T2 ist ein derartiger Kugelgewindetrieb mit einer Mutter bekannt. In der Mutter sind zwei Ausnehmungen vorgesehen, die eine Membran begrenzen, die in axialer Richtung deformierbar und in axialer Richtung starr ist. Mit einem in einer der Ausnehmungen vorgesehenen Piezo-Element kann der Maschinentisch zusätzlich fein justiert werden. Mit einem in der Ausnehmung vorgesehenen Sensor wird nur die Feinverschiebung des Maschinentisches detektiert. Mit diesem Sensor können keine störenden Einflüsse, die die Präzision des Bearbeitungsprozesses beeinträchtigen könnten, detektiert werden.
Es gibt Muttern die zweigeteilt sind, um über ein zwischengeschaltetes Federpaket oder ein nachstellbares Gewinde, eine Vorspannung zu erzielen. Diese Vorspannung ist in diesem Fall unabhängig von Fertigungstoleranzen und vom Verschleiß.
Zunehmend werden aber auch Einzelmuttern verwendet, bei denen die Vorspannung durch ein entsprechendes Übermaß der Kugeln von wenigen Mikrometern erzeugt wird. Da in dieser Ausführung die Kugeln an 4 Punkten anliegen (4-Punkt-Kontakt), werden diese im Betrieb zum Gleiten gezwungen, was natürlich zu einem gewissen Abrieb führt. Dadurch verringert sich die Vorspannung während der Lebensdauer. Die verringerte Vorspannung kann bei kritischen Bearbeitungsprozessen z. B. bei Einsatz in einer Werkzeugmaschine zu unzulässigen Arbeitsergebnissen an den Bearbeitungsoberflächen führen. Erwähnt sei hier das Schleifen von Zahnrädern, wo die Anforderung an die Genauigkeit und Oberfläche der Flanken extrem hoch ist.
Störend bei hochgenauen Bearbeitungsprozessen sind auch Fehlstellen wie Grübchen (Pitting) bzw. Rattermarken im Spindeltrieb, die durch Materialermüdung oder durch Überbeanspruchung entstehen können, da diese einen diskontinuierlichen Vorschub an der Werkzeugmaschine verursachen.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Überwachung des Kugelgewindetriebes anzugeben, die die oben genannten Nachteile nicht aufweist, die insbesondere erlaubt, störende Einflüsse, die die Präzision der Bearbeitungsprozesse beeinträchtigen, rechtzeitig zu erkennen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, an der Schraubenmutter eine Ausnehmung vorzusehen, die nahe an die Laufrille der Kugeln heranreicht. Die dadurch gebildete Membran wird durch Kräfte, die vorbeilaufende Kugeln im Betrieb des Kugelgewindetriebes verursachen, ausgelenkt. Die Auslenkung der Membran kann mit Sensoren erfasst werden.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung, wird die Auslenkung der Membran mittels Dehnungsmesssteifen erfasst.
In einer vorteilhaften alternativen Weiterentwicklung der Erfindung, wird die Auslenkung der Membran mittels piezoresistiver Sensorelemente erfasst.
Die Auslenkung der Membran kann durch ein Übermaß der Kugeln verursacht werden.
Die Auslenkung der Membran kann auch durch eine Belastung des Kugelgewindetriebes verursacht werden. Die Membran wird dabei asymmetrisch ausgelenkt. In diesem Fall ist es vorteilhaft zwei außermittig angeordnete Sensoren vorgesehen.
Die Membranauslenkung kann je nach räumlicher Anordnung des Sensorelements oder der Sensorelemente durch das Übermaß einer Kugel und/oder durch Kugelkräfte hervorgerufen werden.
Mit der Erfindung ist es möglich, ohne großen Aufwand eine einfache effektive Zustandsüberwachung eines Kugelgewindetriebs im Betrieb zu realisieren.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1 Längsschnitt einer herkömmlichen Kugelgewindetrieb mit Spindel und Mutter
2 Querschnitt einer Kugelgewindetrieb gemäß 1 im Bereich der Mutter mit einer erfindungsgemäß abgeänderten Mutter in vergrößerter Darstellung.
3 Längsschnitt gemäß 2
4 Längsschnitt wie 3 jedoch mit zwei Sensoren
In 1 ist ein herkömmlicher Kugelgewindetrieb 1, der einen speziellen Wälzschraubentrieb darstellt, mit einer Spindel 5 und einer Mutter 6 dargestellt. Die Spindel 5 mit einem typischen Durchmesser von 30 mm–60 mm weist eine Laufrille 7a auf, die zusammen mit einer in der Mutter 6 vorgesehenen Laufrille 7b eine Laufbahn 7 bildet. An der Flanschseite der Mutter 6 ist eine Endkappe 14 mit Dichtung vorgesehen. Der eigentliche Motor für den Spindelantrieb ist nicht dargestellt. An der Mutter 6 kann z. B. ein Bearbeitungstisch für ein Werkstück befestigt werden. Als Wälzkörper dienen mehrere Kugeln 12, die in einem Rückführsystem mit einem Rücklaufkanal 8 kontinuierlich umlaufen.
Durch die Drehbewegung der Spindel 5 wird die Mutter 6 und damit der Bearbeitungstisch linear verfahren.
In 2 ist ein Ausschnitt der Kugelgewindetrieb 1 gemäß 1 vergrößert dargestellt, wobei die Mutter 6 jedoch erfindungsgemäß ausgebildet ist. In der Mutter 6 ist eine Ausnehmung 10 vorgesehen. Die Ausnehmung 10 reicht fast unmittelbar bis zur Laufbahn 7 in der die Kugeln 12 geführt werden. Der Übersichtlichkeit halber ist nur eine Kugel 12 dargestellt. Der Boden der Ausnehmung 10 bildet eine Membran 22. Auf der der Laufbahn 7 abgewandten Seite der Membran 22 ist ein Dehnungsmessstreifen 20 als Sensor vorgesehen, der die Auslenkung der Membran 22 erfasst. Vom Dehnungsmesstreifen 20 führt ein Verbindungskabel 16 mit Litzen 24, das in einem Litzenkanal 26 geführt wird, zu einer Auswerteeinheit, die nicht dargestellt ist.
Die Auswerteeinheit kann z. B. eine Diagnoseelektronik VSE002 (Fa. ifm electrinic gmbh) sein, die mit der Maschinensteuerung verbunden ist. Da die Auswerteeinheit stationär angebracht ist, kann die elektrische Verbindung Sensor-Auswerteeinheit über eine vorhandene zur Ölversorgung der Mutter 6 dienende Kabelschleppverbindung erfolgen.
Dehnungsmessstreifen reichen aufgrund ihrer Sensitivität im Sub-Mikrometerbereich für Messungen der Membranauslenkung durch vorbeilaufenden Kugeln aus.
Zur Erfassung von Pitting muss eine Auswertung verwendet werden, die eine hohe Bandbreite von bis zu 20kHz ermöglicht. Neuerdings sind auch piezoresistive Sensoren auf dem Markt, mit den bekannten Vorteilen eines größeren Signalhubes und Nachteilen insbesondere im Hinblick auf Temperatureinflüsse, die für den jeweiligen Einsatz abzuwägen sind.
In 3 ist ein Längsschnitt der Kugelgewindetrieb im Bereich der Mutter gemäß 2 näher dargestellt. Die Laufbahn 7, in der die zur Lagerung dienenden Kugeln 12 geführt werden, wird durch die in der Spindel 5 vorgesehene Laufrille 7a und durch die in der Mutter 6 vorgesehenen Laufrille 7b gebildet. Die Wandstärke im Bereich der Ausnehmung 10 und der Laufbahn 7 bzw. Laufrille 7b ist so bemessen, dass vorbeilaufende Kugeln 12 eine Auslenkung dieses Bereiches, der die Membran 22 bildet, bewirken.
4 zeigt eine Mutter 6 mit zwei Sensoren 20a, 20b, die asymmetrisch an zwei gegenüberliegenden Laufbahnabschnitten der Laufbahn 7 angeordnet sind.
Mit derart angeordneten Sensoren können auch schräg auf die Membran 22 wirkende Kräfte über eine Differenzmessung ermittelt werden. Eine solche Anordnung kann auch bei Doppelmuttern eingesetzt werden, wo das Übermaß keine Rolle spielt. Die Kraftmessung kann zur Kraftbegrenzung, durch Eingriff in die Antriebsregelung, dienen.
Nachfolgend ist die Funktion der Erfindung bei einem Kugelgewindetrieb dessen Vorspannung durch ein Übermaß der Kugeln 12 erzeugt wird, näher erläutert. Aufgrund des Übermaßes verursacht eine an der Membran 22 vorbeilaufende Kugel 12 an dem Kontaktpunkt Kugel-Laufbahn eine Flächenpressung die zu einer dynamischen Membranauslenkung führt.
Diese Auslenkung erfolgt bereits auch ohne axiale Last. Sie wird mit dem Dehnungsmessstreifen 20 erfasst und das elektrische Signal kann in einer Auswerteeinheit ausgewertet.
Eine vorbeilaufende Kugel führt zuerst zu einem Signalanstieg mit anschließendem Signalabfall.
Je nach Stärke des Übermaßes wird die Membran 22 unterschiedlich stark ausgelenkt. Die Signalamplitude ist ein direktes Maß für das Übermaß.
Verringert sich das Übermaß der Kugeln 12 aufgrund von Abnutzungseffekten, so kann dies mithilfe des Dehnungsmessstreifens 20 über die Signalamplitude ermittelt werden.
In einfacher Weise kann der Signalanstieg an einem Sensor als Trigger für eine anschließende Differenzmessung verwendet werden.
Unterschreitet z. B. das Übermaß einzelner Kugel 12 einen Schwellwert so wird ein Alarmsignal erzeugt und ein Kugelgewindetriebwechsel kann rechtzeitig vorgenommen werden, bevor eine Beeinträchtigung der Präzision von Bearbeitungsschritten erfolgt.
Auch Beschädigungen an der Laufbahn wie Pitting oder Rattermarken können mit Hilfe des Dehnungsmessstreifens 20 erfasst werden.
Bei Doppelmuttern, die Kugeln 12 ohne Übermaß aufweisen, sind die Sensoren so angeordnet, dass sie eine asymmetrische Membranauslenkung messen, die insbesondere bei einer axialen Belastung des Antriebs wirken. Daraus lässt sich zusätzlich zum dynamischen Diagnosesignal auch ein Belastungssignal erzeugen. Auch hier können Beschädigungen der Laufbahn 7 sicher erfasst werden, um einen Wechsel des Kugelgewindetriebs rechtzeitig anzuzeigen.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich den Zustand eines Kugelgewindetriebes 1 kontinuierlich zu überwachen.

Claims

Kugelgewindetrieb mit einer Spindel (5), einer Mutter (6) und einer wendelförmigen Laufbahn (7) für Kugeln (12) eines Wälzlagers, wobei die Laufbahn (7) aus einer in der Mutter (6) vorgesehenen Laufrille (7b) und einer in der Spindel (5) vorgesehenen Laufrille (7a) gebildet wird dadurch gekennzeichnet, dass in der Mutter (6) eine Ausnehmung (10) vorgesehen ist, die bis unmittelbar an die Laufbahn (7) heranreicht, wobei der Boden der Ausnehmung (10) eine Membran (22) bildet, deren Wandstärke so bemessen ist, dass Kräfte die von vorbeilaufenden Kugeln (12) verursacht werden, eine Auslenkung der Membran (22) bewirken, und dass an der Membran (22) ein Sensor (20) vorgesehen ist, der die von einer vorbeilaufenden Kugel (12) verursachte Membranauslenkung erfasst.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor (20) ein Dehnungsmessstreifen an der Membran (22) vorgesehen ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor (20) ein piezoresistives Sensorelement an der Membran (22) vorgesehen ist.
Kugelgewindetrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (20) zur Erfassung asymmetrischer Membranauslenkungen außermittig angeordnet ist.
Kugelgewindetrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an zwei benachbarten Laufbahnabschnitten (7) jeweils Sensoren (20) vorgesehen sind.