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Technischer Bereich
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kugelumlaufspindel, in der eine Spindelwelle und ein Mutternelement über mehrere Kugeln miteinander in Gewindeeingriff stehen und insbesondere eine verbesserte Kugelumlaufspindel, in der das Mutternelement eine sogenannte Endkappen-Kugelumlaufstruktur aufweist.
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Hintergrundtechnik
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Eine Kugelumlaufspindel, in der eine Spindelwelle und ein Mutternelement über mehrere Kugeln miteinander in Gewindeingriff stehen, ist bekannt. In einer solchen Kugelumlaufspindel sind eine in einer Außenumfangsfläche der Spindelwelle ausgebildete spiralförmige Kugelrollnut und eine in einer Innenumfangsfläche des Mutternelements ausgebildete spiralförmige kraftübertragende Rollnut einander gegenüberliegend angeordnet, um einen Kraftübertragungskanal zu bilden, wobei durch Kugeln eine Kraft zwischen der Spindelwelle und dem Mutternelement ausgeübt wird, während sie in diesem Kraftübertragungskanal rollen. Außerdem weist das Mutternelement einen nicht kraftübertragenden Kanal auf, in dem Kugeln, die den Kraftübertragungskanal durchlaufen haben, zum Kraftübertragungskanal zurücklaufen. Wenn die Spindelwelle und das Mutternelement eine relative Drehbewegung ausführen, laufen die Kugeln endlos vom Kraftübertragungskanal zum nicht kraftübertragenden Kanal und vom nicht kraftübertragenden Kanal zum Kraftübertragungskanal.
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Kugelumlaufspindeln können gemäß der Struktur des nicht kraftübertragenden Kanals in mehrere Typen klassifiziert werden, z. B. in eine sogenannte Endkappen-Kugelumlaufspindel. Beispiele von Endkappen-Kugelumlaufspindeln sind in der
JP H06-201 013 A und in der
WO 1997/048 922 A1 beschrieben, wobei die im erstgenannten Dokument dargestellte Kugelumlaufspindel in
16 dargestellt ist. In dieser Kugelumlaufspindel besteht das Mutternelement
100 aus einem Mutternhauptkörper
102, in dem eine vorstehend erwähnte kraftübertragende Rollnut
101 ausgebildet ist, und aus einem Paar Endkappen
103, die an den axialen Endflächen des Mutternhauptkörpers
102 befestigt sind. Im einzelnen ist eine Kugelrückführöffnung
104 parallel zur axialen Richtung im Mutternhauptkörper
102 ausgebildet, und die an den Endflächen des Mutternhauptkörpers
102 befestigten Endkappen
103 weisen Ableitabschnitte
108 zum Ableiten von Kugeln
107 von einer Kugelrollnut
106 der Spindelwelle
105 und Richtungsänderungskanäle
109 zum Führen der abgeleiteten Kugeln
107 zu einem Einlaß der Kugelrückführöffnung
104 auf. Durch Befestigen der Endkappen
103 am Mutternhauptkörper
102 sind die Kugelrückführöffnung
104 und die Richtungsänderungskanäle
109 miteinander kommunizierend verbunden, um einen nicht kraftübertragenden Kanal für die Kugeln
107 zu bilden. Außerdem werden die Kugeln in diesem nicht kraftübertragenden Kanal der Endkappenvorrichtung von einem Ende zum anderen Ende des Mutternhauptkörpers geführt, so daß in der Vorrichtung die Gesamtlänge des Mutternhauptkörpers vergrößert werden kann, was vorteilhaft ist, wenn die Steigung der in der Spindelwelle ausgebildeten Kugelrollnut groß ist. Daher ist diese Endkappen-Kugelumlaufspindel insbesondere zum Erzeugen einer linearen Vorschubbewegung eines beweglichen Körpers, z. B. eines Tischs, mit einer hohen Geschwindigkeit geeignet.
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Wie vorstehend beschrieben wurde, weisen die Endkappen in der herkömmlichen Endkappen-Kugelumlaufspindel jedoch Ableitabschnitte zum Ableiten der Kugeln von der Kugelrollnut der Spindelwelle und Richtungsänderungskanäle zum Führen der abgeleiteten Kugeln zur Kugelrückführöffnung auf, so daß die Dicke der Endkappen ziemlich groß sein muß. Daher ist, wenn die Endkappen an den Endflächen des Mutternhauptkörpers befestigt sind, die Gesamtlänge des Mutternelements für die Größe der ausgeübten Kraft ziemlich groß, so daß es unmöglich ist, die Größe des Mutternelements zu vermindern.
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Um die Dicke der Endkappen zu vermindern ist es zweckdienlich, wenn die Richtungsänderungskanäle 109 in der Endkappe 103 sich wie im Fall der in 16 dargestellten herkömmlichen Kugelumlaufspindel senkrecht zur axialen Richtung der Spindelwelle 105 erstrecken. Die Kugelrollnut 106 der Spindelwelle 105 ist jedoch spiralförmig ausgebildet, und die in dieser Kugelrollnut 106 rollenden Kugeln 107 weisen auch eine Geschwindigkeitskomponente in der axialen Richtung der Spindelwelle 105 auf. Daher wird, wenn die Richtungsänderungskanäle 109 sich in die vorstehend erwähnte Richtung erstrecken, die Vorschubrichtung der von der Kugelrollnut 106 abgeleiteten Kugeln 107 zwangsweise geändert, wodurch die Kugeln 107 wiederholt mit den Endkappen 103 kollidieren. Dadurch besteht, wenn die Kugeln 107 mit einer hohen Geschwindigkeit umlaufen, die Gefahr, daß die Endkappen 103 beschädigt werden. Außerdem wird der Umlaufbewegung der Kugeln 107 ein großer Widerstand entgegengesetzt, was zu einer Begrenzung der Hochgeschwindigkeitsvorschubbewegung des beweglichen Körpers führt. Außerdem erzeugen die Kugeln 107 und die Endkappen 103 Kollisionsgeräusche, was zu einem Geräuschproblem während des Gebrauchs oder Betriebs führt.
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Die
US 6 176 149 B1 zeigt eine Kugelumlaufspindel und eine Kugelmutter, die eine endlose Kugelumlaufbahn für Kugeln und zwischen ihnen angeordnete Abstandselemente bilden. An den axialen Enden der Kugelmutter ist je ein rohrförmiger Adapter zum Zurückführen der Kugeln und Abstandselemente angeordnet.
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Die
GB 957 330 A zeigt eine Kugelumlaufspindel und eine Kugelumlaufmutter, die an jedem Ende eine ringförmige Kappe mit einer tangential angeordneten schlitzförmigen Ausnehmung trägt, in die ein entsprechend gestaltetes Umlenkstück für die Kugeln eingesetzt ist, das mit der Kappe verschraubt ist.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend erwähnten Probleme des Stands der Technik zu lösen und eine Kugelumlaufspindel bereitzustellen, durch die die Gesamtlänge des Mutternelements minimiert werden kann und die von der Kugelrollnut abgeleiteten Kugeln glatt zur Kugelrückführöffnung geführt werden können, wodurch auch dann nur minimale Geräusche erzeugt werden, wenn die Kugeln mit einer hohen Geschwindigkeit umlaufen, so daß die Vorrichtung insbesondere zum Erzeugen einer Vorschubbewegung eines beweglichen Körpers, z. B. eines Tischs, sehr geeignet ist. Diese Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der Patenansprüche gelöst.
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Um die vorstehende Aufgabe zu lösen, ist in der erfindungsgemäßen Kugelumlaufspindel eine Vertiefung in der Innenumfangsfläche des Mutternhauptkörpers ausgebildet, und ein Rückführelement steht mit dieser Vertiefung in Eingriff, wobei das Rückführelement in der Vertiefung derart aufgenommen ist, daß es von der axialen Endfläche des Mutternhauptkörpers nicht hervorsteht. Die Vertiefung ist so ausgebildet, daß sie in der axialen Endfläche des Mutternhauptkörpers und an einer Position offen ist, die jedem der Endabschnitte der in der Innenumfangsfläche des Mutternhauptkörpers ausgebildeten spiralförmigen kraftübertragenden Rollnut entspricht. Außerdem weist das Rückführelement einen Ableitabschnitt zum Ableiten der Kugeln von der Kugelrollnut der Spindelwelle und einen Richtungsänderungskanal zum Führen der abgeleiteten Kugeln zum Einlaß der Kugelrückführöffnung auf. Durch den Eingriff zwischen dem Rückführelement und der Vertiefung rollen die Kugeln, die durch die kraftübertragende Rollnut des Mutternhauptkörpers gerollt sind, über den Ableitabschnitt in den Richtungsänderungskanal. Außerdem ist ein Rohrelement am Mutternhauptkörper montiert, durch das eine im wesentlichen parallel zur Spindelwelle angeordnete Kugelrückführöffnung bereitgestellt wird. Wenn das Rückführelement mit der Vertiefung des Mutternhauptkörpers in Eingriff steht, sind die Kugelrückführöffnung des Rohrelements und der Richtungsänderungskanal des Rückführelements miteinander verbunden und bilden einen Endlosumlaufweg für die Kugeln. Außerdem sind im wesentlichen ringförmige Abdeckplatten an den axialen Endflächen des Mutternhauptkörpers befestigt, wobei die Abdeckplatten das mit der Vertiefung des Mutternhauptkörpers in Eingriff stehende Rückführelement abdecken.
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Daher wird in der erfindungsgemäßen Kugelumlaufspindel der Endlosumlaufweg für die Kugeln ausschließlich durch den Eingriff zwischen dem Rückführelement und der Vertiefung des Mutternhauptkörpers gebildet. Außerdem ist das Rückführelement in der Vertiefung des Mutternhauptkörpers so angeordnet, daß es nicht axial vom Mutternhauptkörper hervorsteht, so daß die axiale Gesamtlänge des mit der Spindelwelle über die Kugeln in Gewindeeingriff stehenden Mutternelements der axialen Gesamtlänge des Mutternhauptkörpers gleicht, wodurch die Gesamtlänge des Mutternelements minimiert werden kann.
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Insbesondere ist es für die Kugeln, die von der Kugelrollnut der Spindelwelle abgeleitet werden, um in die Richtungsänderungskanäle zu rollen, wichtig, daß der spindelwellenseitige Einlaßbereich des Richtungsänderungskanals glatt in die kraftübertragende Rollnut des Mutternhauptkörpers übergeht. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, wenn der Richtungsänderungskanal so ausgebildet ist, daß er mit der Richtung einer Verlängerung der Kugelrollnut der Spindelwelle in der tangentialen Richtung der Spindelwelle ausgerichtet ist. D. h., der spindelwellenseitige Einlaßbereich des Richtungsänderungskanals ist so ausgebildet, daß er um den Steigungswinkel der Kugelrollnut bezüglich einer sich senkrecht zur axialen Richtung der Spindelwelle erstreckenden Ebene geneigt ist. Auch wenn der derart ausgebildete Richtungsänderungskanal bezüglich einer sich senkrecht zur axialen Richtung der Spindelwelle erstreckenden Ebene geneigt ist, wird das Rückführelement, in dem der Richtungsänderungskanal ausgebildet ist, im Mutternhauptkörper aufgenommen, so daß die Abdeckplatte die Form einer einfachen Platte haben kann und nicht die Gefahr besteht, daß die Gesamtlänge des Mutternelements zunimmt, das durch Montieren der Abdeckplatte fertiggestellt ist.
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Das Rückführelement kann aus Metall oder Kunstharz hergestellt sein. Während ein Rückführelement aus Metall hinsichtlich der Festigkeit für eine Verwendung über eine lange Zeitperiode vorteilhaft ist, ist ein Rückführelement aus Kunstharz hinsichtlich der Verminderung der durch das Rollen der Kugeln erzeugten Geräusche vorteilhaft.
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Außerdem hat, weil das Rückführelement einen Ableitabschnitt und einen Richtungsänderungskanal aufweist, das Rückführelement eine komplizierte Konfiguration, wobei es vom Standpunkt der einfachen Herstellung des Rückführelements vorteilhaft ist, eine Konstruktion zu verwenden, in der das Rückführelement durch eine gekrümmte Ebene, die eine Mittellinie des Richtungsänderungskanals aufweist, in ein erstes Element und ein zweites Element geteilt ist, wobei das Rückführelement aus einer Kombination dieser Elemente gebildet wird.
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Außerdem kann, obwohl das Rückführelement mit der Vertiefung des Mutternhauptkörpers eng in Eingriff gebracht werden kann, das Rückführelement auch einstückig bzw. integral mit der Abdeckplatte ausgebildet sein, wobei das von der Abdeckplatte hervorstehende Rückführelement mit der Vertiefung des Mutternhauptkörpers in Eingriff kommt, wenn die Abdeckplatte auf der Endfläche des Mutternhauptkörpers montiert wird.
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Andererseits ist im spindelwellenseitigen Einlaß des Richtungsänderungskanals ein Ableitabschnitt zum Ableiten von Kugeln von der Kugelrollnut der Spindelwelle angeordnet. Vom Gesichtspunkt der glatten Führung der Kugeln zum Richtungsänderungskanal, ohne daß diese mit dem Ableitabschnitt kollidieren können, ist es vorteilhaft, wenn der Ableitabschnitt an der Spindelwellenseite bezüglich der Innenumfangsfläche des Mutternhauptkörpers leicht hervorsteht, und ist es vorteilhaft, wenn der Richtungsänderungskanal in Übereinstimmung mit der Innenumfangsfläche der Mutter bogenförmig konfiguriert ist. Durch Ausbilden des Ableitabschnitts in einer derartigen Konfiguration werden die in der Kugelrollnut der Spindelwelle rollenden Kugeln an jeder Seite gehalten, während sie von der Kugelrollnut abgeleitet werden, und sie rollen unverändert in den Richtungsänderungskanal, so daß nicht die Gefahr besteht, daß die Kugeln mit dem Ableitabschnitt kollidieren, und selbst wenn die Kugeln mit hoher Geschwindigkeit entlang des Endlosumlaufwegs laufen, wird keine übermäßige Kraft auf das Rückführelement ausgeübt. Außerdem kann die Geräuschentwicklung minimiert werden.
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Beim Teilen des Rückführelements in das erste Element und in das zweite Element durch eine gekrümmte Ebene, die die Mittellinie des Richtungsänderungskanals enthält, kann der Ableitabschnitt auf das erste Element und das zweite Element aufgeteilt oder nur im ersten bzw. im zweiten Element ausgebildet werden. Im erstgenannten Fall wird der Richtungsänderungskanal, einschließlich des Ableitabschnitts, vollständig auf das erste Element und das zweite Element aufgeteilt, so daß die Konfiguration des ersten Elements und des zweiten Elements vereinfacht ist und die Fertigung erleichtert wird. Im letztgenannten Fall, in dem der Ableitabschnitt im ersten Element oder im zweiten Element ausgebildet ist, kann der Richtungsänderungskanal dagegen vollständig auf das erste Element und das zweite Element aufgeteilt sein, wodurch die Konfiguration des ersten Elements und des zweiten Elements etwas kompliziert ist. Andererseits kann der Ableitabschnitt vorteilhaft mit hoher Genauigkeit ausgebildet werden.
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Außerdem ist es, um zu verhindern, daß die Kugeln im Endlosumlaufweg miteinander kollidieren, und eine glatte Umlaufbewegung der Kugeln zu gewährleisten und Geräuschentwicklung möglichst weitgehend zu verhindern, vorteilhaft, Abstandselemente aus Kunstharz zwischen einander benachbarten Kugeln bereitzustellen. Weil derartige Abstandselemente zwischen den Kugeln angeordnet werden müssen, ist es nicht wünschenswert, wenn die Rollrichtung der Kugeln im Endlosumlaufweg sich abrupt ändert. Wenn eine derartige Änderung auftritt, besteht die Gefahr, daß die Abstandselemente von der Position zwischen den Kugeln versetzt werden. Daher ist es vorteilhaft, wenn der spindelwellenseitige Einlaßbereich des Richtungsänderungskanals mit der Richtung der Verlängerung der kraftübertragenden Rollnut in der tangentialen Richtung der Innenumfangsfläche des Mutternhauptkörpers übereinstimmt. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn der Ableitabschnitt durch Ausschneiden des Richtungsänderungskanals in einer bogenförmigen Konfiguration in Übereinstimmung mit der Innenumfangsfläche der Mutter ausgebildet wird.
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Außerdem ist erfindungsgemäß ein Rohrkörper aus Kunstharz am Mutternhauptkörper montiert, um eine Kugelrückführöffnung zu bilden, wobei, wenn das Rückführelement, in dem der Richtungsänderungskanal ausgebildet ist, aus Kunstharz besteht, der nicht kraftübertragende Kanal für den Endlosumlauf der Kugeln vollständig mit Kunstharz bedeckt ist, so daß die Geräuschentwicklung während des Umlaufs der Kugeln möglichst weitgehend minimiert wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Querschnittansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kugelumlaufspindel;
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2 zeigt eine Vorderansicht (teilweise im Aufriß) der ersten Ausführungsform der Kugelumlaufspindel;
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3 zeigt eine Explosionsansicht eines in der ersten Ausführungsform vorgesehenen Mutternelements;
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4 zeigt eine Vorderansicht eines in der ersten Ausführungsform vorgesehenen Mutternhauptkörpers;
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5 zeigt eine Querschnittansicht entlang der Linie V-V von 4;
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6 zeigt eine Seitenansicht einer in der ersten Ausführungsform vorgesehenen Abdeckplatte;
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7 zeigt eine Ansicht betrachtet in Richtung des Pfeils VII in 6;
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8 zeigt eine Ansicht betrachtet in der Richtung des Pfeils VIII in 6;
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9 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie IX-IX in 8;
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10 zeigt eine Seitenansicht (teilweise im Aufriß) eines in der ersten Ausführungsform vorgesehenen Rückführelements;
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11 zeigt eine Unteransicht des in der ersten Ausführungsform vorgesehenen Rückführelements;
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12 zeigt eine Sequenzansicht zum Darstellen der Weise, in der eine Kugel von einer Kugelrollnut einer Spindelwelle abgeleitet wird;
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13 zeigt eine Explosionsansicht eines Mutternelements einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kugelumlaufspindel;
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14 zeigt eine perspektivische Ansicht eines in der zweiten Ausführungsform vorgesehenen Rückführelements;
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15 zeigt eine Explosionsansicht des in der zweiten Ausführungsform vorgesehenen Rückführelements; und
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16 zeigt eine in der
JP-A-06-201013 beschriebene Kugelumlaufspindel.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spindelwelle;
- 2
- Kugel;
- 3
- Mutternelement;
- 4
- Mutternhauptkörper;
- 5
- Abdeckplatte;
- 6
- Rohrelement;
- 9
- Zweites Element;
- 10
- Kugelrollnut;
- 20
- Abstandselement;
- 42
- Kraftübertragende Rollnut;
- 47
- Vertiefung;
- 53
- Rückführelement;
- 54
- Erstes Element;
- 55
- Ableitabschnitt;
- 56
- Richtungsänderungskanal;
- 60
- Kugelrückführöffnung
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Bestes Realisieren der Erfindung
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Nachstehend wird eine erfindungsgemäße Kugelumlaufspindel unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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Die 1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kugelumlaufspindel. Diese Kugelumlaufspindel besteht aus einer Spindelwelle 1, in deren Außenumfangsfläche eine spiralförmige Kugelrollnut 10 mit einer vorgegebenen Steigung ausgebildet ist, und einem Mutternelement 3, das über mehrere Kugeln 2 mit der Spindelwelle 1 in Gewindeeingriff steht und einen Endlosumlaufweg für die Kugeln 2 aufweist, wobei das Mutternelement 3 durch eine relative Drehbewegung zwischen der Spindelwelle 1 und dem Mutternelement 3 eine Bewegung in der axialen Richtung der Spindelwelle 1 ausführt. Außerdem weist die Spindelwelle 1 zwei Spuren oder Bahnen von Kugelrollnuten 10 auf, und das Mutternelement 3 weist auch zwei Endlosumlaufwege der Kugeln 2 auf.
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In dieser Kugelumlaufspindel sind Abstandselemente 20 zwischen benachbarten Kugeln 2 im Endlosumlaufweg angeordnet, wodurch verhindert wird, daß die Kugeln 2 direkt miteinander in Kontakt kommen. Die Abstandselemente 20 sind aus Kunstharz hergestellte, scheibenförmige Elemente, wobei auf jeder Seite der scheibenförmigen Elemente eine kugelförmige Sitzfläche ausgebildet ist, an der die kugelförmige Oberfläche jeder Kugel 2 anliegen soll.
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3 zeigt eine Explosionsansicht des Mutternelements 3. Wie in der Zeichnung dargestellt ist, besteht das Mutternelement 3 aus einem Mutternhauptkörper 4 aus Stahl, mit dem Mutternhauptkörper in Eingriff stehenden Rückführelementen 53, einem Paar Abdeckplatten 5 aus Kunstharz, die an der vorderen bzw. der hinteren Endfläche des Mutternhauptkörpers 4 befestigt sind, und einem Paar Rohrelementen 6, die zwischen den Abdeckplatten 5 sandwichartig angeordnet und am Mutternhauptkörper 4 befestigt sind, wobei durch Befestigen der Rückführelemente 53, der Abdeckplatten 5 und des Rohrelements 6 am Mutternhauptkörper 4 Endlosumlaufwege für die Kugeln 2 gebildet werden. Außerdem sind an den Abdeckplatten 5 Labyrinth- oder Spaltdichtungen 7 befestigt, um zu verhindern, daß Staub in den Innenraum des Mutternelements 3 eindringt, wobei die Labyrinth- oder Spaltdichtungen durch durch Schrauben an den Abdeckplatten 5 befestigte Dichtungsdruckplatten 8 an den Abdeckplatten 5 befestigt sind. 3 zeigt lediglich die an einer Seite des Mutternhauptkörpers 4 befestigte Abdeckplatte 5.
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Die 4 und 5 zeigen den Mutternhauptkörper 4. Dieser Mutternhauptkörper 4 ist als Zylinder ausgebildet, in dessen Mitte eine Durchgangsöffnung 40 für die Spindelwelle 1 ausgebildet ist, und ein Flanschabschnitt 41 zum Befestigen des Mutternhauptkörpers 4 an einem beweglichen Körper, z. B. an einem Tisch, steht von seiner Außenumfangsfläche hervor. Außerdem sind in der Innenumfangsfläche der Durchgangsöffnung 40 spiralförmige kraftübertragende Rollnuten 42 ausgebildet, die den Kugelrollnuten 10 der Spindelwelle 1 gegenüberliegen, wobei zwischen den Kugelrollnuten 10 und den kraftübertragenden Rollnuten 42 Kugeln 2 rollen, über die eine Kraft ausgeübt wird. Der Flanschabschnitt 41 weist Durchgangsöffnungen 43 auf, die als Bolzenöffnungen zum Befestigen des Mutternhauptkörpers 4 am beweglichen Körper dienen.
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Die axialen Endflächen des Mutternhauptkörpers 4 bilden Montageflächen 44 der Abdeckplatten 5, und in den Montageflächen 44 sind Gewindelöcher 45 ausgebildet, die dazu geeignet sind, mit Halteschrauben für die Abdeckplatten 5 in Gewindeeingriff zu kommen. Zwischen diesen Montageflächen 44 sind Rohrhalterungsöffnungen 46 so ausgebildet, daß sie sich axial durch den Mutternhauptkörper 4 erstrecken, und die vorstehend erwähnten Rohrelemente 6 werden in die Rohrhalterungsöffnungen 46 eingepaßt und damit in Eingriff gebracht. Die Rohrelemente 6 sind als Zylinder mit Kugelrückführöffnungen 60 ausgebildet, und unbelastete, nicht kraftübertragende Kugeln 2 rollen durch die Kugelrückführöffnungen 60 in die axiale Richtung des Mutternhauptkörpers 4. Außerdem sind die Rohrelemente 6 aus Kunstharz hergestellt, um die Geräuschentwicklung, die aufgrund des Kontakts zwischen den mit einer hohen Geschwindigkeit durch die Kugelrückführöffnungen 60 und die Rohrelemente 6 rollenden Kugeln 2 erzeugt wird, möglichst weitgehend zu verhindern.
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In Übereinstimmung mit den beiden Spuren oder Bahnen der in der Spindelwelle 1 ausgebildeten Kugelrollnuten 10 sind zwei Rohrhalterungsöffnungen 46 so ausgebildet, daß sie um 180° voneinander beabstandet sind und sich so gegenüberliegen, daß die Durchgangsöffnung 40 dazwischen angeordnet ist. Vertiefungen 47 zum Aufnehmen der Rückführelemente 53 sind an den Enden der Rohrhalterungsöffnungen 46 ausgebildet und öffnen sich in den Montageflächen 44 für die Abdeckplatten 5. Wie in 4 dargestellt ist, sind diese Vertiefungen 47 so ausgeschnitten, daß sie sich von der Durchgangsöffnung 40 des Mutternhauptkörpers 4 tangential erstrecken, wodurch die Durchgangsöffnung 40 mit den Rohrhalterungsöffnungen 46 verbunden ist. Die Enden der beiden Spuren oder Bahnen der in der Innenumfangsfläche des Mutternhauptkörpers 4 ausgebildeten kraftübertragenden Rollnuten 42 sind unmittelbar bevor sie die Abdeckplattenhalterungsflächen 44 erreichen durch diese Vertiefungen 47 geteilt.
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Die 6 bis 8 zeigen die Abdeckplatte 5. Die Abdeckplatte 5 ist als ein im wesentlichen ringförmiges Element ausgebildet, das die Montagefläche 44 an der Mutternhauptkörperseite abdeckt und durch Spritzgießen aus Kunstharz hergestellt ist. An der Außenseite der Abdeckplatte 5 ist eine ringförmige Nut 50 zum Halten der Labyrinth- oder Spaltdichtung 7 um die Durchgangsöffnung 51 herum ausgebildet, und es sind Schraubenlöcher 52 zum Befestigen einer Dichtungsdruckplatte 8 an der Außenseite der ringförmigen Nut 50 ausgebildet. Außerdem erstrecken sich Montageöffnungen 59, durch die die Halteschrauben zum Halten der Abdeckplatte 5 am Mutternhauptkörper 4 durchgeführt werden sollen, durch die Abdeckplatte 5.
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Außerdem stehen an der Innenseite der Abdeckplatte 5 die Rückführelemente 53 hervor, die dazu vorgesehen sind, mit der Vertiefung des Mutternhauptkörpers in Eingriff zu kommen. Die Rückführelemente bestehen aus ersten Elementen 54, die so ausgebildet sind, daß sie von der Innenseite der Abdeckplatte 5 hervorstehen, und aus zweiten Elementen 9 (vergl. 10 und 11), die durch Schrauben an den ersten Elementen 54 befestigt sind. Wie in 3 dargestellt ist, weisen die Rückführelemente 53 durch Kombinieren der ersten Elemente 54 mit den zweiten Elementen 9 Ableitabschnitte 55 zum Ableiten der Kugeln 2 von den Kugelrollnuten 10 der Spindelwelle 1 und Richtungsänderungskanäle 56 zum Führen der abgeleiteten Kugeln 2 in Kugelrückführöffnungen 60 der Rohrelemente 6 auf. Die zweiten Elemente 9 weisen Flansche 92 zum Aufnehmen von Sechskantmuttern (nicht dargestellt) auf. Von der Seite der Abdeckplatte 5 eingeführte Bolzen werden mit den Sechskantmuttern in Gewindeeingriff gebracht, wodurch die zweiten Elemente 9 an der Abdeckplatte 5 befestigt werden. Durchgangsöffnungen 58 zum Hindurchführen der Bolzen sind benachbart zu den ersten Elementen 54 ausgebildet, und Durchgangsöffnungen 91 zum Hindurchführen der Bolzen sind benachbart zu den zweiten Elementen 9 ausgebildet.
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Im Inneren der Rückführelemente 53 sind die Richtungsänderungskanäle 56 so gekrümmt, daß die Rollrichtung der Kugeln 2 sich 90° oder mehr ändert, und ein Ende jedes der Richtungsänderungskanäle 56 ist an einer Seitenfläche des Rückführelements 53 offen, das von der Abdeckplatte 5 hervorsteht, und das andere Ende davon ist an der vorderen Endfläche des Rückführelements 53 offen, das von der Abdeckplatte 5 hervorsteht. Die erstgenannte Öffnung ist der Einlaß an der Seite der Spindelwelle 1, und die letztgenannte Öffnung ist der im Rohrelement 6 ausgebildete Einlaß an der Seite der Kugelrückführöffnung 60. Eine ringförmige Nut 61 ist am Randabschnitt an der Seite der Kugelrückführöffnung 60 jedes Richtungsänderungskanals 56 ausgebildet. Wenn die Abdeckplatte 5 am Mutternhauptkörper 4 befestigt ist, stehen die vorderen Endabschnitte der Rohrelemente 6 mit der ringförmigen Nut 61 in Eingriff. Aufgrund dieser Anordnung werden die in der Abdeckplatte 5 ausgebildeten Richtungsänderungskanäle 56 und die in den Rohrelementen 6 ausgebildeten Kugelrückführöffnungen 60 mit hoher Genauigkeit miteinander verbunden, so daß eine glatte Rollbewegung der Kugeln 2 zwischen diesen Kanälen erhalten werden kann.
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Jedes der Rückführelemente 53 ist durch eine gekrümmte Ebene, die die Mittellinie des Richtungsänderungskanals 56 enthält, in das erste Element 54 und das zweite Element 9 geteilt. Daher weisen das erste Element 54 und das zweite Element 9 Nuten 57 bzw. 90 auf, die einen halbkreisförmigen Querschnitt haben und einander gegenüberliegend angeordnet sind, und diese Nuten 57 und 90 werden miteinander kombiniert, um den Richtungsänderungskanal 56 zu bilden. Außerdem ist am Einlaß jedes Richtungsänderungskanals 56 an der Seite der Spindelwelle 1 ein Ableitabschnitt 55 zum Ableiten der Kugeln 2 von der Kugelrollnut 10 der Spindelwelle 1 ausgebildet, und dieser Ableitabschnitt 55 ist ebenfalls auf das erste Element 54 und das zweite Element 9 aufgeteilt. Dieser Ableitabschnitt 55 steht zur Seite der Spindelwelle 1 leicht über die Innenumfangsfläche des Mutternhauptkörpers 4 hervor und ist in Übereinstimmung mit dem Zwischenraum zwischen der Innenumfangsfläche des Mutternhauptkörpers 4 und der Außenumfangsfläche der Spindelwelle 1 angeordnet. Außerdem ist der Ableitabschnitt 55 durch Ausschneiden des Richtungsänderungskanals 56 in eine bogenförmige Konfiguration in Übereinstimmung mit der Innenumfangsfläche des Mutternhauptkörpers 4 ausgebildet. Daher hat dieser Ableitabschnitt 55 im wesentlichen eine Konfiguration, die einer Konfiguration gleicht, die durch schräges Abschneiden eines Endabschnitts eines Rohrs erhalten wird. Wenn die Kugeln 2 sich vom Einlaß des Richtungsänderungskanals 56 nach innen bewegen, bedeckt der Ableitabschnitt 55 die Kugeln 2 allmählich von jeder Seite bezüglich der Vorwärtsbewegungsrichtung, und schließlich werden die Kugeln im Richtungsänderungskanal aufgenommen.
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Das durch die vorstehend erwähnten Komponenten gebildete Mutternelement 3 wird durch die folgenden Arbeitsschritte zusammengesetzt oder montiert. Zunächst werden die Rohrelemente 6 in die Rohrhalterungsöffnungen 46 des Mutternhauptkörpers 4 eingesetzt, und dann werden das Paar Abdeckplatten 5 mit den daran montierten zweiten Elementen durch Schrauben an den Montageflächen 44 des Mutternhauptkörpers 4 befestigt. Wenn die zweiten Elemente 9 an den mit den Abdeckplatten 5 integral ausgebildeten ersten Elementen 54 befestigt sind, werden die Rückführelemente 53 gebildet, die die Richtungsänderungskanäle 56 und die Ableitabschnitte 55 in den Abdeckplatten 5 aufweisen, und durch Ineingriffbringen dieser Rückführelemente 53 mit den im Mutternhauptkörper 4 ausgebildeten Vertiefungen 47 kann eine exakte Positionierung an den Abdeckplatten 5 bezüglich des Mutternhauptkörpers 4 erreicht werden. Außerdem werden, wenn die Abdeckplatten 5 am Mutternhauptkörper 4 befestigt sind, die zuvor in den Mutternhauptkörper 4 eingesetzten Rohrelemente 6 von beiden Enden durch die Vorsprünge 53 der Abdeckplatten 5 gehalten, und die Endabschnitte der Rohrelemente 6 werden in ringförmige Nuten 61, die an den vorderen Enden der Vorsprünge 53 ausgebildet sind, eingepaßt und damit in Eingriff gebracht, wodurch ein Endlosumlaufweg für die Kugeln 2 im Mutternelement 3 fertiggestellt wird.
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Wenn die Spindelwelle 1 sich dreht, rollen die Kugeln 2 zwischen den Kugelrollnuten 10 der Spindelwelle 1 und den kraftübertragenden Rollnuten 42 des Mutternhauptkörpers 4, während sie eine Kraft ausüben, und werden dann in einen nicht kraftübertragenden oder unbelasteten Zustand gebracht, bevor sie in die in einem Rückführelement 53 ausgebildeten Richtungsänderungskanäle 56 eintreten. Dann werden die Kugeln 2 über die Kugelrückführöffnungen 60 der Rohrelemente 6 zu den Richtungsänderungskanälen 56 der anderen Rückführelemente 53 geführt und von den Richtungsänderungskanälen 56 wieder zu den Kugelrollnuten 10 der Spindelwelle 1 zurückgeführt. Weil die Abdeckplatten 5, die zweiten Elemente 9 und die Rohrelemente 6 alle aus Kunstharz hergestellt sind, sind im Endlosumlaufweg für die Kugeln 2 die Richtungsänderungskanäle 56 und die Kugelrückführöffnungen 60, in denen die Kugeln 2 unbelastet und ohne Kraft zu übertragen rollen, mit Kunstharz bedeckt. Außerdem sind die Kunstharz-Abstandselemente 20 zwischen den im Endlosumlaufweg nacheinander rollenden Kugeln 2 angeordnet, so daß nicht die Gefahr besteht, daß die aus Stahl bestehenden Kugeln 2 miteinander in Kontakt kommen. Daher sind die einzigen Metallelemente, die mit den Kugeln 2 in Kontakt kommen, die Kugelrollnuten 10 der Spindelwelle 1 und die kraftübertragenden Rollnuten 42 des Mutternhauptkörpers 4, so daß in dieser Kugelumlaufspindel die Geräuschentwicklung während des Umlaufs der Kugeln 2 weitestgehend minimiert werden kann.
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Außerdem werden, wie in 1 dargestellt ist, in dieser Kugelumlaufspindel, wenn der Ableitabschnitt 55 die Kugeln 2 von der Spindelwelle 1 am Einlaß des Richtungsänderungskanals 56 ableitet, die Kugeln 2 in eine Richtung geführt, die mit dem Steigungswinkel α der Kugelrollnut 10 übereinstimmt. Außerdem werden, wie in 2 dargestellt ist, die Kugeln 2 von der Kugelrollnut 10 der Spindelwelle 1 abgeleitet, so daß sie sich in der tangentialen Richtung der Spindelwelle 1 bewegen und in den Richtungsänderungskanal 56 eintreten. D. h., die Einlaßbereiche der Richtungsänderungskanäle 56 an der Seite der Spindelwelle 1 sind so ausgebildet, daß sie mit den Richtungen der tangentialen Erweiterungen der Kugelrollnuten 10 der Spindelwelle 1 übereinstimmen, d. h. mit der Richtung, in die eine spiralförmig um die Spindelwelle 1 gewickelte Schnur abgewickelt würde.
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Die 12(a) bis 12(f) zeigen, wie eine Kugel 2 durch den in jedem Rückführelement 53 ausgebildeten Ableitabschnitt 55 von der Kugelrollnut 10 der Spindelwelle 1 abgeleitet wird. Wie in diesen Figuren dargestellt ist, ist der an der Seite der Spindelwelle 1 befindliche Einlaßbereich der Richtungsänderungskanäle 56 so ausgebildet, daß er der Kugelrollnut 10 gegenüberliegt, und der Ableitabschnitt 55 leitet eine rollende Kugel 2 von der Kugelrollnut 10 ab, weil der Ableitabschnitt 55 die Kugel allmählich von jeder Seite hält, wodurch die Kugel schließlich im Richtungsänderungskanal 56 aufgenommen wird. Dadurch nimmt die von der Spindelwelle 1 abgeleitete Kugel 2 keine äußere Kraft auf, die ihre Rollrichtung zwangsweise ändern würde, so daß die Kugeln 2 glatt von der Kugelrollnut 10 abgeleitet und zum Richtungsänderungskanal 56 geführt werden können. Außerdem sind die Richtungsänderungskanäle 56 leicht gekrümmt und kommunizieren mit den Kugelrückführöffnungen 60, so daß die Kugeln 2 glatt von der Kugelrollnut 10 abgeleitet und zu den Richtungsänderungskanälen 56 geführt werden können. Außerdem sind die Richtungsänderungskanäle 56 leicht gekrümmt und kommunizieren mit den Kugelrückführöffnungen 60, so daß keine Gefahr besteht, daß die Kugeln 2 mit den Innenwänden der Richtungsänderungskanäle 56 heftig kollidieren und eine glatte Umlaufbewegung der Kugeln 2 erreicht und die Geräuschentwicklung weitestgehend minimiert werden kann.
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In der vorliegenden Ausführungsform der Kugelumlaufspindel sind die vorstehend beschriebenen Richtungsänderungskanäle 56 und die Ableitabschnitte 55 in den Rückführelementen 53 ausgebildet, die von den Abdeckplatten 5 hervorstehen, und die Rückführelemente 53 werden mit den im Mutternhauptkörper 4 ausgebildeten Vertiefungen 47 in Eingriff gebracht und darin aufgenommen, so daß die ringförmigen Abdeckplatten 5 selbst sehr dünn ausgebildet sein können und die axiale Gesamtlänge des Mutternelements 3 minimiert werden kann. Außerdem kann, auch wenn die Abdeckplatten 5 derart dünn ausgebildet sind, das Vorsprungmaß der mit dem Mutternhauptkörper 4 in Eingriff stehenden Rückführelemente 53 bezüglich der Abdeckplatten 5 in einem gewissen Grade größer ausgebildet werden, so daß die Richtungsänderungskanäle 56 bezüglich diesen Rückführelementen 53 leicht gekrümmt ausgebildet sein können, wodurch eine weitestgehend glatte Umlaufbewegung der Kugeln 2 erreicht und die durch die Umlaufbewegung hervorgerufene Geräuschentwicklung weitestgehend minimiert werden kann.
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13 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kugelumlaufspindel.
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Während in der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform die die Rückführelemente 53 bildenden ersten Elemente 54 mit den Abdeckplatten 5 einstückig ausgebildet sind, sind die ersten Elemente 54 und die Abdeckplatten 5 in der zweiten Ausführungsform voneinander getrennt, und die Rückführelemente 53 stehen mit den Vertiefungen 47 des Mutternhauptkörpers 4 in Eingriff, ohne daß die Abdeckplatten 5 am Mutternhauptkörper 4 befestigt sind. Ansonsten hat diese Ausführungsform die gleiche Konstruktion wie die erste Ausführungsform, so daß die Komponenten, die denjenigen der ersten Ausführungsform gleichen, in 13 durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und nicht näher beschrieben werden.
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14 zeigt eine perpektivische Ansicht zum Darstellen des in der zweiten Ausführungsform verwendeten Rückführelements 53. 15 zeigt eine perspektivische Ansicht zum Darstellen eines Rückführelements 53, das in das erste Element 54 und in das zweite Element 9 geteilt ist. Obwohl das erste Element 54 und das zweite Element 9 durch maschinelles Bearbeiten von Metallteilen hergestellt werden können, ist es aufgrund ihrer komplizierten Konfiguration wünschenswert, sie durch Metallspritzgießen (MIM) herzustellen. Natürlich können sie wie in der ersten Ausführungsform auch durch Spritzgießen von Kunstharz hergestellt werden.
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Das Rückführelement der zweiten Ausführungsform ist ebenfalls durch eine gekrümmte Ebene, die die Mittellinie des Richtungsänderungskanals 56 enthält, in das erste Element 54 und das zweite Element 9 geteilt. Anders als bei der ersten Ausführungsform wird bei dieser Ausführungsform eine Konstruktion verwendet, gemäß der der an der Seite der Spindelwelle 1 befindliche Einlaß des Richtungsänderungskanals 56 im zweiten Element 9 so ausgebildet ist, daß er nicht geteilt ist. D. h., der am Einlaß des Richtungsänderungskanals 56 an der Seite der Spindelwelle 1 angeordnete Ableitabschnitt 55 ist nur im zweiten Element 9 ausgebildet. Daher kann im Vergleich zum Rückführelement der ersten Ausführungsform durch das Rückführelement dieser Ausführungsform der Ableitabschnitt 55 mit höherer Präzision hergestellt werden, so daß der Vorgang zum Ableiten der Kugeln 2 von der Kugelrollnut 10 der Spindelwelle 1 stabiler und zuverlässiger ausgeführt werden kann.
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Außerdem ist der Einlaß der im zweiten Element 9 ausgebildeten Nut 90, der sich an der Seite der Spindelwelle 1 befindet, mit einem Führungselement 93, das die zwischen den Kugeln 2 angeordneten Abstandselemente 20 zusammen mit den Kugeln 2 zum Richtungsänderungskanal 56 führt, bedeckt. Wenn das erste Element 54 und das zweite Element 9 miteinander verbunden sind, ist das Führungselement am an den an der Seite der Spindelwelle 1 befindlichen Einlaß des Richtungsänderungskanals 56 angeordnet.
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Wie vorstehend beschrieben wurde, wird in der erfindungsgemäßen Kugelumlaufspindel der Endlosumlaufweg für die Kugeln ausschließlich durch Ineingriffbringen der Rückführelemente mit den Vertiefungen im Mutternhauptkörper gebildet. Außerdem sind die Rückführelemente in den Vertiefungen im Mutternhauptkörper aufgenommen und stehen nicht axial vom Mutternhauptkörper vor, so daß die Abdeckplatten selbst einfache plattenförmige Elemente sein können, wobei, auch wenn die Abdeckplatten an den Endflächen des Mutternhauptkörpers montiert sind, um das Mutternelement zu bilden, die Gesamtlänge des Mutternelements minimiert und damit die Größe des Mutternelements reduziert werden kann. Außerdem bestehen hinsichtlich der mit dem Mutternhauptkörper in Eingriff stehenden Rückführelemente keine Einschränkungen aufgrund der Verminderung der Größe, so daß die Richtungsänderungskanäle frei ausgebildet und die von den Kugelrollnuten der Spindelwelle abgeleiteten Kugeln glatt zu den Kugelrückführöffnungen geführt werden können, wodurch die Geräuschentwicklung auch dann minimiert werden kann, wenn die Kugeln mit einer hohen Geschwindigkeit umlaufen. Dadurch ist die erfindungsgemäße Kugelumlaufspindel für eine Hochgeschwindigkeitsvorschubbewegung eines beweglichen Körpers, z. B. eines Tischs, optimal geeignet.
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Im ersten Element 54 und im zweiten Element 9 sind Durchgangsöffnungen 92 zum Befestigen des durch Verbinden des ersten und des zweiten Elements erhaltenen Rückführelements 53 am Mutternhauptkörper 4 ausgebildet. Wie in 13 dargestellt ist, können unter Verwendung von in die Durchgangsöffnungen 92 eingesetzten Schrauben 95 die Rückführelemente 53 in den Vertiefungen 47 des Mutternhauptkörpers 4 befestigt werden. Daher können durch Ineingriffbringen der Rückführelemente 53 mit den Vertiefungen 47 des Mutternhauptkörpers 4 und durch Befestigen der Rückführelemente durch die Schrauben 95 die Rückführelemente 53 genau und fest bzw. stabil am Mutternhauptkörper 4 befestigt werden.
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Nach Abschluß der Befestigung der Rückführelemente 53 am Mutternhauptkörper 4 werden die Abdeckplatten 5 an den Plattenhalterungsflächen 44 des Mutternhauptkörpers 4 so befestigt, daß sie die Rückführelemente 53 bedecken. Diese Abdeckplatten 5 werden zum Befestigen der Labyrinth- oder Spaltdichtungen 7 am Mutternhauptkörper 4 und zum Abdichten des Zwischenraums zwischen dem Mutternhauptkörper 4 und der Spindelwelle 1 verwendet. Die Abdeckplatten 5 müssen nicht so fest oder stabil sein wie die Rückführelemente 53, so daß die Abdeckplatten 5 auch aus Kunstharz hergestellt sein können, auch wenn die Rückführelemente 53 aus Metall hergestellt sind.
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Außerdem stehen in der zweiten Ausführungsform der Kugelumlaufspindel mit der vorstehend beschriebenen Konstruktion die Rückführelemente 53 mit den im Mutternhauptkörper 4 ausgebildeten Vertiefungen 47 in Eingriff, so daß die Richtungsänderungskanäle 56 nicht in den Abdeckplatten 5 ausgebildet sein müssen und die Abdeckplatten 5 sehr dünn hergestellt werden können. Außerdem sind in dieser Kugelumlaufspindel zwei Spuren oder Bahnen von Endlosumlaufwegen ausgebildet, und zwei Rückführelemente 53 müssen mit einer Endfläche des Mutternhauptkörpers 4 in Eingriff gebracht werden, und zwei Rückführelemente 53 müssen mit der anderen Endfläche des Mutternhauptkörpers in Eingriff gebracht werden, d. h. insgesamt müssen vier Rückführelemente 53 in Eingriff gebracht werden. In der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform sind zwei Rückführelemente 53 mit einer Abdeckplatte 5 integral ausgebildet. Dadurch kann, wenn die Genauigkeit bei der Herstellung der Vertiefungen 47 bezüglich des Mutternhauptkörpers 4 ziemlich gering ist, die geringe Positionierungsgenauigkeit für die Rückführelemente 53 bezüglich einer Seite des Mutternhauptkörpers 4 zu einer Verschlechterung der Positionierungsgenauigkeit für die Rückführelemente 53 bezüglich der anderen Seite führen. In der zweiten Ausführungsform der Kugelumlaufspindel werden die Rückführelemente 53 jedoch einzeln mit den Vertiefungen 47 des Mutternhauptkörpers 4 in Eingriff gebracht, so daß die jeweiligen Positionierungsgenauigkeiten für die Rückführelemente 53 bezüglich des Mutternhauptkörpers 4 unabhängig voneinander sind und die Genauigkeit des Eingriffs zwischen den Rückführelementen 53 und dem Mutternhauptkörper 4 nur von der Genauigkeit abhängig ist, die bei der Herstellung der Vertiefungen 47 im Mutternhauptkörper 4 erreicht wird. Dies trägt dazu bei, eine noch glattere Umlaufbewegung der Kugeln zu realisieren.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Wie vorstehend beschrieben wurde, wird in der erfindungsgemäßen Kugelumlaufspindel der Endlosumlaufweg für die Kugeln ausschließlich durch Ineingriffbringen der Rückführelemente mit Vertiefungen im Mutternhauptkörper gebildet. Außerdem werden die Rückführelemente in den Vertiefungen des Mutternhauptkörpers aufgenommen und stehen nicht axial vom Mutternhauptkörper hervor, so daß die Abdeckplatten selbst einfach plattenförmige Elemente sein können, wobei, auch wenn die Abdeckplatten an den Endflächen des Mutternhauptkörpers montiert sind, um das Mutternelement zu bilden, die Gesamtlänge des Mutternelements minimiert und damit die Größe des Mutternelements reduziert werden kann. Außerdem entstehen hinsichtlich der mit dem Mutternhauptkörper in Eingriff stehenden Rückführelemente keine Einschränkungen aufgrund der Verminderung der Größe und die Richtungsänderungskanäle können frei konstruiert werden, so daß die von den Kugelrollnuten der Spindelwelle abgeleiteten Kugeln glatt zu den Kugelrückführöffnungen geführt werden können, wodurch die Geräuschentwicklung auch dann reduziert werden kann, wenn die Kugeln mit einer hohen Geschwindigkeit umlaufen. Dadurch ist die erfindungsgemäße Kugelumlaufspindel für eine Hochgeschwindigkeitsvorschubbewegung eines beweglichen Körpers, z. B. eines Tisches, optimal geeignet.