DE102017205005B3 - Method for producing a ball screw - Google Patents

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Abstract

Bei einer Kugelgewindetrieb 1 mit einer Spindel 5 und einer Mutter 6 ist in der Mutter 6 eine Ausnehmung 10 vorgesehen, die bis fast unmittelbar an die Laufrille der Kugeln 12 heranreicht. Der Boden der Ausnehmung 10 bildet eine Membran 22, die beim Vorbeilaufen einzelner Kugeln ausgelenkt wird. Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Montage einer Sensorträgers mit der die Auslenkung der Membran einfach erfasst werden kann.In a ball screw 1 with a spindle 5 and a nut 6, a recess 10 is provided in the nut 6, which comes close to almost directly to the groove 12 of the balls. The bottom of the recess 10 forms a membrane 22, which is deflected when passing individual balls. The invention describes a method for mounting a sensor carrier with which the deflection of the membrane can be easily detected.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a ball screw according to the preamble of claim 1.

Kugelgewindetriebe werden bei Werkzeugmaschinen vielfach eingesetzt, um Lasten schnell linear zu bewegen bzw. genau zu positionieren. Dabei wird die Drehbewegung einer motorgetriebenen Spindel mittels einer Mutter in eine Linearbewegung z. B. eines Maschinentisches umgesetzt. In der Mutter werden die Kugeln in einer schraubenförmigen Laufbahn geführt.Ball screws are widely used in machine tools to quickly move loads linearly or to position accurately. In this case, the rotational movement of a motor-driven spindle by means of a nut in a linear movement z. B. implemented a machine table. In the nut, the balls are guided in a helical track.

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.There are nuts that are split in two to achieve a preload via an intermediate spring pack or adjustable thread. This bias is independent of manufacturing tolerances and wear in this case.

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.Increasingly, however, single nuts are used in which the bias is generated by a corresponding excess of balls of a few micrometers. Since in this design the balls are in 4 points (4-point contact), they are forced to slide in operation, which of course leads to a certain amount of abrasion. This reduces the preload during the lifetime. The reduced bias can be used in critical machining processes z. B. result in use in a machine tool inadmissible work results on the processing surfaces. Mention should be made here of the grinding of gears, where the requirement for the accuracy and surface of the flanks is extremely high.

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.Disturbances in high-precision machining processes are also defects such as dimples (pitting) or chatter marks in the spindle drive, which can be caused by material fatigue or overstress, since these cause a discontinuous feed on the machine tool.

Aus der DE102013225467 ist ein Kugelgewindetrieb bekannt, der eine Spindel, eine Mutter und eine wendelförmige Laufbahn für Kugeln eines Wälzlagers aufweist. Die Laufbahn wird aus einer in der Mutter vorgesehenen Laufrille und einer in der Spindel vorgesehenen Laufrille gebildet.From the DE102013225467 a ball screw is known which comprises a spindle, a nut and a helical raceway for balls of a rolling bearing. The raceway is formed from a groove provided in the nut and a groove provided in the spindle.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Herstellung eines Kugelgewindetriebs mit einer Überwachung anzugeben, die die oben genannten Nachteile nicht aufweist, die insbesondere erlaubt, störende Einflüsse, die die Präzision des Bearbeitungsprozesses beeinträchtigen, rechtzeitig zu erkennen.The object of the invention is to provide a method for producing a ball screw with a monitoring, which does not have the disadvantages mentioned above, which in particular allows to detect disturbing influences that affect the precision of the machining process, in a timely manner.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by the features specified in claim 1. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.

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.The essential idea of the invention is to provide on the nut a recess which comes close to the groove of the balls. The membrane thus formed is deflected by forces caused by passing balls in operation of the ball screw. The deflection of the membrane can be detected by sensors.

In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung, wird die Auslenkung der Membran mittels Dehnungsmesssteifen erfasst.In an advantageous development of the invention, the deflection of the membrane is detected by means of strain gauges.

In einer vorteilhaften alternativen Weiterentwicklung der Erfindung, wird die Auslenkung der Membran mittels piezoresistiver Sensorelemente erfasst.In an advantageous alternative development of the invention, the deflection of the membrane is detected by means of piezoresistive sensor elements.

Die Auslenkung der Membran kann durch ein Übermaß der Kugeln verursacht werden.The deflection of the membrane can be caused by an oversize of the balls.

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.The deflection of the membrane can also be caused by a load on the ball screw. The membrane is deflected asymmetrically. In this case, it is advantageous to provide two eccentrically arranged sensors.

Die Membranauslenkung kann je nach räumlicher Anordnung des Sensorelements oder der Sensorelemente durch das Übermaß einer Kugel und/oder durch Kugelkräfte hervorgerufen werden.Depending on the spatial arrangement of the sensor element or the sensor elements, the diaphragm deflection can be caused by the excess of a ball and / or by ball forces.

Mit der Erfindung ist es möglich, ohne großen Aufwand eine einfache effektive Zustandsüberwachung eines Kugelgewindetriebs im Betrieb zu realisieren.With the invention, it is possible to realize a simple effective condition monitoring of a ball screw in operation without much effort.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.The invention is explained in more detail with reference to embodiments shown in the drawing.

Es zeigen:

  • 1 Längsschnitt einer herkömmlichen Kugelgewindetrieb mit Spindel und Mutter
  • 2 Querschnitt eines Kugelgewindetriebs gemäß der Erfindung im Bereich der Mutter
  • 3 perspektivischer Schnitt einer Mutter 6 gemäß 2 ohne Verbindungskabel
  • 4 perspektivischen Schnitt einer Mutter 6 gemäß 2 mit Verbindungskabel
  • 5 perspektivischen Schnitt einer Mutter 6 gemäß 3 mit einer alternativen Anordnung eines Dehnungsmessstreifens
  • 6 Aufsicht auf einen Dehnungsmessstreifen
Show it:
  • 1 Longitudinal section of a conventional ball screw with spindle and nut
  • 2 Cross-section of a ball screw according to the invention in the area of the nut
  • 3 perspective section of a nut 6 according to 2 without connection cable
  • 4 perspective section of a nut 6 according to 2 with connection cable
  • 5 perspective section of a nut 6 according to 3 with an alternative arrangement of a strain gauge
  • 6 Top view of a strain gauge

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. In 1 is a conventional ball screw 1 , which represents a special Wälzschraubentrieb, with a spindle 5 and a mother 6 shown. The spindle 5 with a typical diameter of 30 mm - 60 mm has a track groove 7a on that together with one in the mother 6 provided raceway 7b a career 7 forms. At the flange side of the nut 6 is an end cap 14 provided with seal. The actual motor for the spindle drive is not shown. At the mother 6 can z. B. a machining table for a workpiece are attached. As rolling elements serve several balls 12 used in a recirculation system with a return channel 8th continuously circulating.

Durch die Drehbewegung der Spindel 5 wird die Mutter 6 und damit der Bearbeitungstisch linear verfahren.By the rotation of the spindle 5 becomes the mother 6 and thus the processing table moved linear.

In 2 ist ein Ausschnitt der Kugelgewindetrieb 1 gemäß 1 vergrößert dargestellt, wobei die Mutter 6 jedoch speziell 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.In 2 is a section of the ball screw 1 according to 1 shown enlarged, the mother 6 However, it is specially designed. In the mother 6 is a recess 10 intended. The recess 10 goes almost directly to the career 7 in the balls 12 be guided. For the sake of clarity, there is only one ball 12 shown. The bottom of the recess 10 forms a membrane 22 , On the career path 7 opposite side of the membrane 22 is a strain gauge 20 provided as a sensor, the deflection of the membrane 22 detected. From the strain gauge 20 leads a connecting cable 16 with strands 24 in a stranded channel 26 is led to an evaluation unit, which is not shown. The evaluation unit can, for. Example, a diagnostic electronics VSE002 (Fa. Ifm electrinic gmbh), which is connected to the machine control. Since the evaluation unit is mounted stationary, the electrical connection sensor evaluation unit via an existing oil supply to the mother 6 serving cable tow connection.

Dehnungsmessstreifen reichen aufgrund ihrer Sensitivität im Sub-Mikrometerbereich für Messungen der Membranauslenkung durch vorbeilaufenden Kugeln aus.Due to their sensitivity in the sub-micron range, strain gauges are sufficient for measurements of diaphragm deflection by passing balls.

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.For the detection of pitting an evaluation must be used, which allows a high bandwidth of up to 20kHz. Recently, piezoresistive sensors are also on the market, with the known advantages of a larger signal swing and disadvantages, in particular with regard to temperature influences, which are to be weighed for the respective application.

3 zeigt einen perspektivischen Schnitt einer Mutter 6 gemäß 2 im Bereich der Ausnehmung 10 in detaillierterer Form ohne den elektrischen Anschluss. 3 shows a perspective section of a mother 6 according to 2 in the region of the recess 10 in more detail without the electrical connection.

In die Ausnehmung 10 ist ein Sensorträger ST eingeclipst. Der Sensorträger ST besteht aus einem Kunststoffelement KE, einem Dehnungsmesstreifen DMS und einer Elektronikplatine EP. Zum Einclipsen sind entsprechende Hinterschneidungen HS in der Wandung der Ausnehmung 10 vorgesehen. Mit dem Dehnungsmesstreifen DMS wird die Verformung der Membran 22 erfasst, deren Wandstärke etwa 0.95 mm beträgt. Die Kontaktpads K1-K5 des Dehnungsmessstreifens DMS sind an einer Innenwandung des Kunststoffelements KE fixiert.In the recess 10 is a sensor carrier ST clipped. The sensor carrier ST consists of a plastic element KE, a strain gauge DMS and an electronic board EP. For clipping corresponding undercuts HS are provided in the wall of the recess 10. With the strain gauge DMS, the deformation of the membrane 22 recorded, whose wall thickness is about 0.95 mm. The contact pads K1-K5 of the strain gauge DMS are fixed to an inner wall of the plastic element KE.

4 zeigt einen perspektivischen Schnitt einer Mutter 6 gemäß 2 im Bereich der Ausnehmung 10 in detaillierterer Form mit einem elektrischen Verbindungskabel 16. 4 shows a perspective section of a mother 6 according to 2 in the region of the recess 10 in more detail with an electrical connection cable 16 ,

Das Verbindungskabel 16 wird durch eine Bohrung B in der Mutter 6 geführt. Die Bohrung 6 weist ein Gewinde G an dem der Ausnehmung 10 gegenüberliegenden Ende auf. Hier ist ein Steckanschluss ST eingeschraubt. Zu sehen sind auch die einzelnen Litzen des Verbindungskabels noch vor dem Verlöten mit den Anschlusspads K1-K5.The connection cable 16 is through a hole B in the nut 6 guided. The hole 6 has a thread G on the recess 10 on the opposite end. Here a plug connection ST is screwed in. You can also see the individual strands of the connection cable before soldering with the connection pads K1-K5.

5 zeigt einen perspektivischen Schnitt einer Mutter 6 gemäß 3 mit einer alternativen Anordnung des Dehnungsmessstreifens DMS, der nicht auf der Unterseite des Kunststoffelements KE angeordnet ist, sondern auf dessen Oberseite. 5 shows a perspective section of a mother 6 according to 3 with an alternative arrangement of the strain gauge DMS, which is not arranged on the underside of the plastic element KE, but on its upper side.

Der besseren Übersichtlichkeit ist die Elektronikplatine nicht dargestellt.For better clarity, the electronic board is not shown.

6 zeigt eine Aufsicht auf einen Dehnungsmessstreifen DMS. 6 shows a plan view of a strain gauge strain gauge.

Das Verfahren zur Herstellung eines Kugelgewindetriebs mit einer Sensoranordnung umfasst folgende Verfahrensschritte:

  • - Aufbringen eines Klebstoffs KS auf den Grund der Ausnehmung 10
  • - Einclipsen des Sensorträgers ST in die Ausnehmung 10
  • - Aushärten des Klebstoffs
  • - Einziehen eines mit einem Einbaustecker vorkonfektionierten Kabels die Bohrung B, die zur der Ausnehmung 10 führt und Einschrauben des Einbausteckers das Gewinde G
  • - Verbindung der Litzen mit der Elektronikplatine EP des Sensorträgers ST
  • - Vergießen der Ausnehmung 10
The method for producing a ball screw with a sensor arrangement comprises the following method steps:
  • - Applying an adhesive KS on the bottom of the recess 10
  • - Clip the sensor carrier ST into the recess 10
  • - curing of the adhesive
  • - Inserting a pre-fabricated with a built-in cable cable, the bore B, to the recess 10 leads and screwing the mounting plug the thread G
  • - Connection of the strands with the electronic board EP of the sensor carrier ST
  • - Potting the recess 10

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet folgende Vorteile.The method according to the invention offers the following advantages.

Das Verfahren ist auch bei bestehenden Kugelgewindetrieben einfach realisierbar. Hierzu muss nur in die Mutter die Ausnehmung 10 mit den Hinterschneidungen gefräst und die Bohrung B gebohrt werden.The method is also easy to implement with existing ball screws. For this purpose, only in the nut has the recess 10 Milled with the undercuts and the bore B to be drilled.

Der Sensorträger lässt sich leicht herstellen.The sensor carrier is easy to make.

Die komplette Ausnehmung oberhalb der Elektronikplatine incl. dem Ende des Verbindungskabel 16 wird durch den Verguss geschützt.The complete recess above the electronics board incl. The end of the connection cable 16 is protected by the potting.

Der Verguss bietet einen mechanischen Schutz und verhindert das Eindringen von Kühlschmierstoffen etc.in den Membranbereich. Durch die Viskosität des Vergussmaterials und die verbleibenden Spaltweiten wird sichergestellt, dass das Vergussmaterial nicht zum Boden der Ausnehmung vordringen und damit die Messwerte beeinflussen kann.The encapsulation provides mechanical protection and prevents the penetration of cooling lubricants etc. into the membrane area. The viscosity of the potting material and the remaining gap widths ensure that the potting material can not penetrate to the bottom of the recess and thus influence the measured values.

Claims (1)

Verfahren zur Herstellung eines Kugelgewindetriebs mit einer Sensoranordnung wobei der Kugelgewindetrieb eine Spindel (5), eine Mutter (6) und eine wendelförmige Laufbahn (7) für Kugeln (12) eines Wälzlagers aufweist, wobei die Laufbahn (7) aus einer in der Mutter (6) vorgesehenen Laufrille (7b) und einer in der Spindel (5) vorgesehenen Laufrille (7a) gebildet wird, und 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 wobei an der Membran (22) ein Sensor (20) vorgesehen ist, der die von einer vorbeilaufenden Kugel (12) verursachte Membranauslenkung erfasst, und wobei eine Bohrung B in der Mutter 6 zur Ausnehmung 10 führt und die Bohrung B auf der der Ausnehmung 10 gegenüberliegenden Seite ein Gewinde G aufweist mit folgenden Verfahrensschritten: - Aufbringen eines Klebstoffs KS auf den Grund der Ausnehmung 10 - Einclipsen eines Sensorträgers ST in die Ausnehmung 10 - Aushärten des Klebstoffs - Einziehen eines mit einem Einbaustecker vorkonfektionierten Kabels in die Bohrung B, die zur der Ausnehmung 10 führt und Einschrauben des Einbausteckers in das Gewinde G - Verbindung der Litzen des Kabels mit einer Elektronikplatine EP des Sensorträgers ST - Vergießen der Ausnehmung 10Method for producing a ball screw with a sensor arrangement, wherein the ball screw has a spindle (5), a nut (6) and a helical track (7) for balls (12) of a roller bearing, wherein the track (7) consists of a nut in ( 6) provided for running groove (7b) and provided in the spindle (5) running groove (7a) is formed, and in the nut (6) a recess (10) is provided, which extends directly up to the track (7), wherein the bottom of the recess (10) forms a membrane (22) whose wall thickness is dimensioned such that forces, caused by passing balls (12) cause a deflection of the membrane (22), and wherein on the membrane (22) a sensor (20) is provided, which detects the membrane deflection caused by a passing ball (12), and wherein a bore B in the nut 6 leads to the recess 10 and the bore B on the recess 10 opposite side has a thread G. with the following process steps: - Applying an adhesive KS on the bottom of the recess 10th - Clip a sensor carrier ST into the recess 10 - curing of the adhesive - Pulling a pre-assembled with a built-in cable in the hole B, which leads to the recess 10 and screwing the mounting plug into the thread G. - Connection of the strands of the cable with an electronic board EP of the sensor carrier ST - Potting the recess 10th
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