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Die Erfindung betrifft eine mit einer Loslagerung arbeitende Linearführung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine gattungsgemäße Linearführung ist beispielsweise aus der
DE 103 20 424 A1 bekannt. Die bekannte Linearführung umfasst einen auf einer Führungsschiene längs geführten Führungswagen. Dem Führungswagen ist ein Anschluss zum Anschließen eines Tisches zugeordnet. Eine Loslagereinrichtung der Linearführung nach der
DE 103 20 424 A1 ermöglicht Relativverschiebungen des genannten Anschlusses quer zur Führungsschiene. Die Loslagereinrichtung der bekannten Linearführung weist Gleitlagerflächen auf, die nach Art einer Schwalbenschwanzführung angeordnet sind.
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Eine weitere Linearführung, welche ebenfalls die Merkmale nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufweist, ist aus der
DE 10 2011 087 713 A1 bekannt. In diesem Fall sind Tragkörper, die auf zueinander parallelen Führungsbahnen längs verschieblich gelagert sind, einander gegenüberliegend, das heißt Face-to-Face, angeordnet. Ein Maschinenteil ist zwischen den beiden Tragkörpern gehalten und zusammen mit diesem in Längsrichtung der Schienen verschiebbar. Zur Lagerung des Maschinenteils weist jeder Tragkörper eine Aufspannfläche auf, wobei die beiden Aufspannflächen entsprechend der Face-to-Face-Anordnung in zueinander parallelen Ebenen liegen.
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Das Maschinenteil der in der
DE 10 2011 087 713 A1 beschriebenen Vorrichtung ist mit einem der Tragkörper fest verbunden, so dass in diesem Fall eine Festlagerung vorliegt. Gegenüber dem anderen Tragkörper ist das Maschinenteil dagegen in Querrichtung der Schienen zumindest geringfügig verschiebbar, so dass hier ein Loslager gebildet ist. Die Verschiebbarkeit des Maschinenteils in Querrichtung der Schienen ist durch eine Gleitlagerung, welche Gleitlagerbohrungen und zugehörige Gleitlagerbolzen umfasst, ermöglicht. Das Festlager der Anordnung nach der
DE 10 2011 087 713 A1 kann Kräfte aufnehmen, die quer zu den Schienen in zwei senkrecht aufeinander stehenden Achsen wirken. Dagegen ist das Loslager lediglich zur Aufnahme von Kräften vorgesehen, die in genau einer quer zur Führungsbahn, das heißt zur Schiene, ausgerichteten Querachse wirken.
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Die
EP 1 305 533 B1 offenbart verschiedene mögliche Ausgestaltungen eines Loslagers für einen durch zwei Wellen geführten Schlitten. Auch in diesem Fall ist eine Verschiebbarkeit durch Zapfen realisiert, welche in Bohrungen eingreifen. Zusätzlich ist eine verkippbare Lagerung einzelner Elemente der Anordnung nach der
EP 1 305 533 B1 gegeben.
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Die
EP 1 210 523 B1 beschreibt eine Linearführung mit Drehschemel-Laufwagen. Eine signifikante Verschiebbarkeit quer zur Längsrichtung der Linearführung ist in diesem Fall durch die Auswahl geeigneter Wälzlagertypen, nämlich Zylinderrollen- oder Nadellager, gegeben. Ein zusätzlich vorhandenes Festlager weist dagegen Wälzlager auf, welche als zweireihige Schrägkugellager ausgebildet sind. Auch bei der Anordnung nach der
EP 1 210 523 B1 sind einzelne Komponenten kippbar in einem anderen Bauteil der Linearführung gelagert.
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Aus der
DE 10 2019 119 339 A1 ist ein linearer Stellantrieb bekannt, welcher mehrere, sich voneinander unterscheidende Messsysteme sowie ein als Rotativ-Linear-Getriebe ausgebildetes Stellgetriebe umfasst. Für den gesamten linearen Stellantrieb wird auch die Bezeichnung Linearachse verwendet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickelte Linearführung mit Loslager anzugeben, welche sich durch einen besonders kompakten, robusten Aufbau auszeichnet, wobei eine möglichst geringe Beeinträchtigung der Steifigkeit und Genauigkeit durch die Loslagerung angestrebt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Linearführung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Linearführung umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption einen auf einer Schiene verschiebbaren Führungswagen, welcher zur Verbindung mit einer Laufwagenplatte vorgesehen ist, wobei zwischen die Laufwagenplatte und den Führungswagen ein Loslager geschaltet ist, welches zumindest geringfügige Verlagerungen der Laufwagenplatte in Relation zur Schiene ermöglicht, wobei es sich hierbei um solche Verlagerungen handelt, die nicht in Verschieberichtung, das heißt Längsrichtung der Schiene, ausgerichtet sind. Insbesondere schließen die durch das Loslager ermöglichten Verlagerungen Verkippungen der Laufwagenplatte ein. Auch Querverschiebungen der Laufwagenplatte sind als Verlagerungen der Laufwagenplatte zu verstehen. Zusätzlich kann eine zweite, typischerweise baugleiche Schiene, auf welcher die Laufwagenplatte geführt ist, existieren.
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Gemäß Anspruch 1 umfasst das Loslager ein ringförmiges Biegeelement, dessen Mittelachse orthogonal zu mindestens einer Schiene, das heißt in Querrichtung der Linearführung, ausgerichtet ist. Das Biegeelement liegt in typischer Ausgestaltung als Frästeil, das heißt spanend bearbeitetes Metallteil, mit ringscheibenförmiger Grundform vor. Je nach aufzunehmenden Kräften und Momenten kommt auch ein Blechteil als Biegeelement in Betracht.
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Bei den Verlagerungen der Laufwagenplatte, welche das Biegeelement aufzunehmen hat, kann es sich um lineare und/oder nicht lineare Positionsänderungen oder Positionsabweichungen gegenüber einer Referenzposition handeln. Nicht lineare Positionsänderungen stellen zum Beispiel Verkippungen dar. Als ein Beispiel einer linearen Verlagerung ist eine Querverschiebung der Laufwagenplatte zu nennen.
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Zusätzlich zur Aufnahme von Verschiebungen in Querrichtung der Linearführung kann das Biegeelement beispielsweise dazu ausgebildet sein, Verkippungen der Laufwagenplatte um eine erste, durch die Schiene gegebene Kippachse aufzunehmen. Des Weiteren kann das Biegeelement zur Aufnahme von Verkippungen der Laufwagenplatte um eine zweite Kippachse, welche sowohl zur ersten Kippachse als auch zur Querverschieberichtung orthogonal ist, ausgebildet sein. Gleichzeitig ist das Biegeelement in vorteilhafter Ausgestaltung gegenüber Kippbelastungen um die durch die Querverschieberichtung gegebene Achse biegesteif. Dies ist gleichbedeutend damit, dass Nickbewegungen der Laufwagenplatte beim Betrieb der Linearbewegung unterbunden werden.
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Um die beschriebene, zumindest geringfügige Schwenkmöglichkeit um zwei Achsen und die gleichzeitige steife Abstützung, was Momente, die in Richtung einer Verschwenkung um eine gedachte dritte, zu den ersten beiden Achsen orthogonale Kippachse wirken, zu realisieren, kann das Biegeelement beispielsweise vier aneinander grenzende, sich jeweils über 90 Grad erstreckende Quadranten umfassen, wobei zwei einander diametral gegenüberliegende Quadranten zur festen Verbindung mit der Laufwagenplatte und zwei weitere, einander ebenfalls diametral gegenüberliegende Quadranten zur festen Verbindung mit dem Führungswagen vorgesehen sind. An den hierbei gegebenen, in den einzelnen Quadranten angeordneten Befestigungsstellen des Biegeelementes kann jeweils eine konische Bohrung ausgebildet sein, welche zum Einstecken eines konischen Anschlusszapfens auf Seiten der Laufwagenplatte beziehungsweise auf Seiten des Führungswagens vorgesehen ist. Mit Hilfe der insgesamt vier konischen Anschlusszapfen ist das Biegeelement in genau definierter Weise zum einen an einem starr mit der Laufwagenplatte verbundenen Element, welches auch durch die Laufwagenplatte selbst bereitgestellt sein kann, und zum anderen mit einem starr mit dem Führungswagen verbundenen Element angebunden. Analog zur Anbindung an die Laufwagenplatte kann auch im Fall des Führungswagens der konische Anschlusszapfen durch den Führungswagen selbst gebildet sein. Ansonsten sind die konischen Anschlusszapfen durch gesonderte Elemente ausgebildet, welche beispielsweise durch Verschraubungen mit der Laufwagenplatte beziehungsweise mit dem Führungswagen verbunden sind.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist mit der Laufwagenplatte ein Adapter fest verbunden, an welchen das ringförmige Biegeelement angeschlossen ist. Auf Seiten des Führungswagens ist das ringförmige Biegeelement zum Beispiel an einem mit dem Lagerbock verbundenen Zwischenstück gehalten.
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Ein Antrieb der Laufwagenplatte kann auf beliebige, an sich bekannte Weise vorgesehen sein. Beispielsweise kann ein Spindeltrieb oder ein Zugmittelgetriebe zum Antrieb der Laufwagenplatte vorhanden sein. Ebenso sind Ausgestaltungen realisierbar, in welchen die Laufwagenplatte elektrisch direkt, das heißt getriebelos, angetrieben wird. In diesem Fall ist die Laufwagenplatte fest mit einem Läufer eines elektrischen Direktantriebs verbunden oder selbst als solcher Läufer ausgebildet.
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Der zugehörige Stator des elektrischen Direktantriebs kann sich zwischen den beiden zueinander parallelen Schienen der Linearführung befinden. Der elektrische Direktantrieb der Laufwagenplatte bedingt erhebliche Anzugskräfte zwischen der Laufwagenplatte und dem Stator. Diese Anzugskräfte sind durch die Linearführung aufzunehmen. Die Linearführung einschließlich des optionalen elektrischen Direktantriebs wird auch als Linearachse bezeichnet und umfasst in typischer Ausgestaltung insgesamt vier Führungswagen, wobei zwei dieser Führungswagen auf einer ersten Schiene laufen und per Festlagerung mit der Laufwagenplatte gekoppelt sind, während zwei weitere Führungswagen auf der zweiten Schiene gelagert sind und jeweils über eine Loslagerung der beschriebenen Art an die Laufwagenplatte angebunden sind.
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Eine Rolle können auch beim Betrieb des elektrischen Direktantriebs temperaturbedingt auftretende Abmessungsänderungen von Bauteilen spielen. Insbesondere solche geometrischen Änderungen, die ansonsten zu erhöhten Kräften innerhalb der Linearführung und vorzeitigem Verschleiß führen könnten, werden durch das mindestens eine Loslager, welches zwischen einen Führungswagen und die Laufwagenplatte geschaltet ist, aufgenommen.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 eine Linearführung mit elektrischem Direktantrieb und mehreren Führungswagen, teils mit Festlagerung, teils mit Loslagerung, in perspektivischer Ansicht,
- 2 die Linearführung nach 1 in einer weiteren Ansicht,
- 3 eine Loslagerungs-Verbindungsbaugruppe der Anordnung nach den 1 und 2 in perspektivischer Ansicht,
- 4 die Baugruppe nach 3 in geschnittener perspektivischer Ansicht,
- 5 ein ringförmiges, begrenzte Querverschiebungen einer Laufwagenplatte der Linearführung ermöglichendes Biegeelement der Loslagerungs-Verbindungsbaugruppe.
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Eine Linearführung 1, welche allgemein auch als Linearachse bezeichnet wird, umfasst verschiedene Führungswagen 6, 7, die auf zwei zueinander parallelen Schienen 2 geführt sind. Wie aus den 1 und 2 hervorgeht, existieren insgesamt vier Führungswagen 6, 7. Hierbei ist im Fall von zwei Führungswagen 6 ersten Typs, welche in der Anordnung nach 2 links zu sehen sind, eine Festlagerung gegeben, wogegen im Fall der beiden auf der zweiten Schiene 2 laufenden Führungswagen 7 eine Loslagerung gegeben ist.
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Die insgesamt vier Führungswagen 6, 7 der Anordnung nach den 1 und 2 tragen eine Laufwagenplatte 9, zu deren Antrieb ein elektrischer Direktantrieb 3, das heißt ein Linearmotor, vorgesehen ist. Der zwischen den beiden Schienen 2 angeordnete Stator des Direktantriebs 3 ist mit 4, der zugehörige, fest mit der Laufwagenplatte 9 verbundene Läufer mit 5 bezeichnet. Die beiden Schienen 2 sind auf einem Grundkörper 8, das heißt Maschinenbett, befestigt. Die Laufwagenplatte 9 weist eine Vielzahl an Anschlusspunkten 10 zur Befestigung beliebiger, nicht dargestellter Maschinenelemente auf.
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Die durch die Längsrichtung der Schienen 2 gegebene Verschieberichtung der Laufwagenplatte 9 ist mit VR bezeichnet. In einem rechtwinkligen Koordinatensystem entspricht die Verschieberichtung VR der x-Achse. Die zwei Schienen 2 liegen in der x-y-Ebene, wobei die mit QR bezeichnete Querrichtung der Linearführung 1 in Richtung der y-Achse ausgerichtet ist. Die z-Achse stellt eine Flächennormale zur Ebene, in welcher die Schienen 2 liegen, dar.
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Der Führungswagen 6 trägt eine Festlagerungs-Verbindungsbaugruppe 11, welche eine starre Verbindung zwischen dem Führungswagen 6 und der Baugruppe aus Stator 4 und Laufwagenplatte 9 herstellt. Damit können durch den Führungswagen 6 sowohl Kräfte in y-Richtung als auch Kräfte in z-Richtung aufgenommen werden. Im Unterschied zum Führungswagen 6 trägt der Führungswagen 7 eine Loslagerungs-Verbindungsbaugruppe 12, welche in den 3 und 4 dargestellt ist. Im Unterschied zur Festlagerungs-Verbindungsbaugruppe 11 weist die Loslagerungs-Verbindungsbaugruppe 12 eine gezielte elastische Nachgiebigkeit in Querrichtung QR auf. Jede Verbindungsbaugruppe 11, 12 ist mit Hilfe von Verbindungsschrauben 13 am zugehörigen Führungswagen 6, 7 befestigt. Die Verbindungsschrauben 13 sind hierbei durch Bohrungen 14 gesteckt, welche sich in einem Lagerbock 15 befinden, der der jeweiligen Verbindungsbaugruppe 11, 12 zuzurechnen ist.
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Auf dem Lagerbock 15 ist mit Hilfe von Schrauben 17 ein Zwischenstück 16 befestigt. Das Zwischenstück 16 ist somit sowohl im Fall der Festlagerungs-Verbindungsbaugruppe 11 als auch im Fall der Loslagerungs-Verbindungsbaugruppe 12 starr mit dem Führungswagen 6, 7 verbunden. Dagegen ist ein Adapter 19 zur starren Verbindung mit der Laufwagenplatte 9 vorgesehen. Im Fall der Festlagerungs-Verbindungsbaugruppe 11 kann der Adapter 19 einstückig mit dem Zwischenstück 16 ausgebildet sein. Dagegen ist in der Loslagerungs-Verbindungsbaugruppe 12 zwischen den Adapter 19 und das Zwischenstück 16 ein ringförmiges, in 4 isoliert dargestelltes Biegeelement 18 eingefügt, welches die gewünschte elastische Nachgiebigkeit in y-Richtung herstellt. Die Mittelachse des ringförmigen Biegeelementes 18 ist parallel zur y-Achse ausgerichtet. Die elastische Nachgiebigkeit des Biegeelementes 18 in definierter Richtung trägt unter anderem zur Kompensation von Verformungen bei, die beim Betrieb des Direktantriebs 3 in geringem, jedoch signifikantem Maße durch Erwärmung von Bauteilen, insbesondere durch Erhitzung des Stators 4, auftreten können. Darüber hinaus trägt das Biegeelement 18 auch zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen und Maßungenauigkeiten bei.
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Zur Befestigung der Laufwagenplatte 9 am Adapter 19 weist dieser eine Mehrzahl an Gewindebohrungen 21, im vorliegenden Fall drei Stück, auf. Das innerhalb der Loslagerungs-Verbindungsbaugruppe 12 existierende, mit 22 bezeichnete Loslager ist durch das Biegeelement 18 gebildet, welches eine definierte elastische Kopplung zwischen dem Führungswagen 7 und der Laufwagenplatte 9 herstellt.
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Das ringförmige Biegeelement 18 ist durch zwei Schrauben 23 am Zwischenstück 16 und durch zwei weitere Schrauben 24 am Adapter 19 festgeschraubt. Hierbei liegen sich die Schrauben 23 diametral gegenüber, wobei sie in Bohrungen 27 in Quadranten 25 erster Art des Biegeelementes 18 eingesteckt sind. Analoges gilt für zwei Bohrungen 28, welche zur Aufnahme der Schrauben 24 vorgesehen sind und sich in Quadranten 26 zweiter Art befinden. Die Quadranten 25 einerseits und die Quadranten 26 andererseits sind spiegelbildlich zueinander ausgebildet.
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Sämtliche Schrauben 23, 24 sind in Querrichtung QR ausgerichtet. Mit Hilfe der beiden Schrauben 24, welche in z-Richtung übereinander angeordnet sind, ist eine Kippachse festgelegt, welche in z-Richtung ausgerichtet ist. Verschwenkungen der Laufwagenplatte 9 um die z-Achse während des Vorschubs der Laufwagenplatte 9 sind gleichbedeutend mit Gier-Bewegungen, welche die Laufwagenplatte 9 ausführt. Die Gier-Bewegungen werden federnd aufgenommen, wobei auch die Befestigung des Biegeelementes 18 durch die zwei Schrauben 23 am Zwischenstück 16 von Bedeutung ist. Eine elastische Deformation erfahren hierbei ausschließlich vier bogenförmige, federnde Abschnitte 29 des Biegeelementes 18, wobei jeweils ein bogenförmiger Abschnitt 29 am Übergang zwischen einem Quadranten 25 erster Art und einem Quadranten 26 zweiter Art ausgebildet ist.
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Die bogenförmigen, federelastischen Abschnitte 29 sind radial nach außen durch eine zylindrische Außenumfangsfläche 30 des Biegeelementes 18 und radial nach innen durch eine vergleichsweise komplexe, vierblättrige Innenumfangsfläche 31 des Biegeelementes 18 begrenzt. In y-Richtung sind die bogenförmigen Abschnitte 29 des Biegeelementes 18 weniger ausgedehnt als diejenigen, in sich im Wesentlichen starren Abschnitte, durch welche die Schrauben 23, 24 gesteckt sind. In den letztgenannten Abschnitten, das heißt Befestigungsabschnitten, existieren plane Auflageflächen 34, auf welchen jeweils ein Kopf einer Schraube 23, 24 aufliegt. Den planen Auflageflächen 34 abgewandt ist jeweils eine konische Oberfläche 33, in welche ein konischer Anschlusszapfen 32 eingesteckt ist.
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Die insgesamt vier konischen Anschlusszapfen 32 sind auf Seiten des Führungswagens 7 durch das Zwischenstück 16 und auf Seiten der Laufwagenplatte 9 durch den Adapter 19 gebildet. Durch die konischen Anschlusszapfen 32 des Zwischenstücks 16 ist in Zusammenwirkung mit den zugehörigen Bohrungen 27 und Schrauben 23 eine weitere Kippachse gegeben, welche längs der Schienen 2, das heißt in x-Richtung, ausgerichtet ist. Somit ermöglicht das Biegeelement 18 zusätzlich zu den bereits erwähnten Verkippungen um die z-Achse auch beschränkte Verkippungen der Laufwagenplatte 9 gegenüber den Führungswagen 7 in Form von Verkippungen um die x-Achse. Derartige Verkippungen um die x-Achse während des Betriebs der Linearführung 1 stellen Rollbewegungen der Laufwagenplatte 9 dar.
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Die beschriebenen Gier- und Rollbewegungen der Laufwagenplatte 9 sollen die Funktionalität der Loslager 22 plastisch beschreiben. Tatsächlich wird durch diese Funktionalität die präzise Führung der Laufwagenplatte 9, welche maßgeblich durch die beiden Festlagerungs-Verbindungsbaugruppen 11 bestimmt ist, unterstützt. Die Loslager 22 nehmen unter anderem Abmessungsänderungen auf, welche aus elektromagnetischen und thermischen Einwirkungen auf die Laufwagenplatte 9 resultieren und je nach Anwendungsfall bis in den Zehntel-Millimeter-Bereich gehen können.
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Im Unterschied zu den beschriebenen, je nach Betriebsbedingungen mehr oder weniger denkbaren Bewegungen, das heißt Verkippungen, um die x-Achse und Bewegungen um die z-Achse sind Bewegungen um die y-Achse durch das Biegeelement 18 vollständig unterbunden. Dies ist gleichbedeutend damit, dass Elastizitäten des Biegeelementes 18 in Umfangsrichtung nicht gegeben sind. Ebenso lässt das Biegeelement 18 keine Verlagerungen zwischen dem Führungswagen 7 und der Laufwagenplatte 9 in x-Richtung, das heißt in Verschieberichtung VR, zu.
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Insgesamt ist durch das Loslager 22 einschließlich des Biegeelementes 18 damit eine ausreichend steife Anbindung der Laufwagenplatte 9 an den Führungswagen 7 bei gleichzeitig definierten Bewegungsmöglichkeiten gegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Linearführung
- 2
- Schiene
- 3
- elektrischer Direktantrieb, Linearmotor
- 4
- Stator des Direktantriebs
- 5
- Läufer
- 6
- Führungswagen mit Festlagerung
- 7
- Führungswagen mit Loslagerung
- 8
- Grundkörper
- 9
- Laufwagenplatte
- 10
- Anschlusspunkt
- 11
- Festlagerungs-Verbindungsbaugruppe
- 12
- Loslagerungs-Verbindungsbaugruppe
- 13
- Verbindungsschraube
- 14
- Bohrung
- 15
- Lagerbock
- 16
- Zwischenstück
- 17
- Schraube zur Befestigung des Zwischenstücks am Lagerbock
- 18
- Biegeelement
- 19
- Adapter, mit der Laufwagenplatte zu verbinden
- 20
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- 21
- Gewindebohrung
- 22
- Loslager
- 23
- Schraube zur Befestigung des Biegeelementes am Zwischenstück
- 24
- Schraube zur Befestigung des Biegeelementes am Adapter
- 25
- Quadrant erster Art
- 26
- Quadrant zweiter Art
- 27
- Bohrung für Schraube 23
- 28
- Bohrung für Schraube 24
- 29
- Bogenförmiger, federnder Abschnitt des Biegeelementes
- 30
- Außenumfangsfläche des Biegeelementes
- 31
- Innenumfangsfläche des Biegeelementes
- 32
- konischer Anschlusszapfen
- 33
- konische Oberfläche
- 34
- plane Auflagefläche
- QR
- Querrichtung
- VR
- Verschieberichtung
- x, y, z
- Achsen eines rechtwinkligen Koordinatensystems
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10320424 A1 [0002]
- DE 102011087713 A1 [0003, 0004]
- EP 1305533 B1 [0005]
- EP 1210523 B1 [0006]
- DE 102019119339 A1 [0007]
