DE19848182C2 - Vorrichtung um die Gesamtsteifigkeit eines Kugelumlaufspindel-Antriebes auf den vielfachen Wert zu erhöhen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, um die Gesamtsteifigkeit eines Kugelumlaufspindel-Vorschubantriebes auf den vielfachen Wert zu erhöhen. Voraussetzung ist das Konstruktionsprinzip der feststehenden Spindel und der drehenden Spindelmutter. Ein Kugelumlaufspindelstab wird zwischen den beiden Endlagern noch mehrmals durch Spannpratzen, die automatisch beim Überfahren des Spindelmuttergetriebes wegklappen, in axialer Richtung verspannt.

Die hohen Beschleunigungen bei gleichzeitig höheren Genauigkeiten, die mittlerweile bei Werkzeugmaschinen für die HSC-Bearbeitung gefordert werden, können nur von Kugelumlaufspindelantrieben mit drehender allseits geschlossener Spindelmutter erreicht werden.

Nur allseits geschlossene Spindelmuttern bringen die nötige Steifigkeit und ab mittleren Verfahrlängen wird das Schwungmoment für drehende Spindeln zu hoch, um die geforderte Dynamik zu erreichen. Trotz des Konstruktionsprinzips der drehenden allseits geschlossenen Spindelmutter verfügen die bisherigen Kugelumlaufspindel-Vorschubantriebe für Werkzeugmaschinen nur bei kleineren bis mittleren Verfahrwegen über eine zufriedenstellende Gesamtsteifigkeit, um die mittlerweile üblichen Beschleunigungs- und Vorschubkräfte aufzunehmen. Die Gesamtsteifigkeit wird im wesentlichen durch die Einzelsteifigkeit des Spindelstabes, der sich wie eine Zug-Druckfeder verhält, bestimmt.

Insbesondere wenn große Massen bewegt werden müssen, fällt die Eigenfrequenz des Vorschubantriebes unter den kritischen Wert, bei dem der Antrieb noch exakt zu steuern ist. Verfahrwege, die aufgrund der zuliefernden Kugelumlaufspindellängen möglich wären, müssen mit einer anderen Vorschubart realisiert werden. Hierbei kommen nur Zahnstangenantrieb oder hydrostatische Schnecke in Betracht.

Diese Antriebsarten sind wesentlich kostenintensiver und erfordern darüber hinaus ein tiefgreifendes Umgestalten der Hauptbauteile. Standardbauteile können somit praktisch nicht definiert werden.

Aus anderen Bereichen des Maschinenbaus sind zwar Kugelumlaufantriebe bekannt, die die Spindeldurchbiegung verhindern aber keinesfalls das Problem der Nachgiebigkeit in Spindellängsrichtung bei drehender Spindelmutter lösen.

Alle vorliegende Patentschriften betreffen das Prinzip des drehenden Spindelstabes und der geöffneten Spindelmutter, welches bei den heutigen Anforderungen an hochdynamische Antriebe keine Verwendung findet. Weiterhin ist in den Patentschriften DE 39 37 997 C2 und US 5 012 687 nur das Problem der Spindeldurchbiegung gelöst und auch ausdrücklich als Aufgabe der Erfindung benannt. Die Patentschrift EP 0281 491 A1 behandelt die rotatorisch stillstehende geöffnete Spindelmutter, die die Voraussetzung für eine feststellende Spindelabstützung ist. Alle anderen Patentschriften behandeln verschiedene Linearantriebe bei denen Gewindespindeln verwandt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den kostengünstigen Kugelumlaufspindel-Vorschubantrieb mit drehender Spindelmutter so zu optimieren, daß große Verfahrwege bei hoher Gesamtsteifigkeit verwirklicht werden können. Der wirkungsvollste Ansatzpunkt zur Erhöhung der Gesamtsteifigkeit ist speziell die Nachgiebigkeit des Spindelstabes zu verhindern.

Eine Optimalforderung ist die Vorteile des Zahnstangenantriebes zu erreichen: gleichbleibende Steifigkeit auf dem ganzen Verfahrweg und keine Längeneinschränkung des Verfahrweges.

Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Diese Axiale Verspannung schränkt die Längenveränderung der Spindel durch Vorschubkräfte und Temperaturerhöhung wesentlich ein. Die Spindel wird in kleine Teillängen aufgeteilt, so daß die Verformung der Spindel dementsprechend stark reduziert wird. Da der größte Teil der Spindel immer eingespannt ist, wirkt dieser eingespannte Teil zusätzlich als Enlagerbock. Dies trägt wesentlich zur Erhöhung der Gesamtsteifigkeit des Systems bei.

Da die Gesamtsteifigkeit kleiner als die kleinste Einzelsteifigkeit ist, und der Spindelstab üblicherweise die geringste Steifigkeit aufweist, wird die Steifigkeitserhöhung des Spindelstabes durch Reduzierung der wirksamen Spindellänge erreicht. Der Zusammenhang ist proportional, und wird durch die Anzahl der Einspannstellen bestimmt.

Das Auf und Zuklappen der Spannpratzen erfolgt mittels Hydraulikzylinder die Keile bewegen, welche gleichzeitig die Aufgabe haben, die Spannpratzen hoch zuklappen und die Spannpratzen gegen die Spindel zu drücken. Die axiale Kraftübertragung erfolgt formschlüssig über die Kugellaufbahn der Spindel.

Durch den erfindungsgemäßen Aufbau ist es möglich eine weitere Spindel, die mit einem Zentrieransatz versehen ist, einfach anzulegen. Auf diese Weise können im Prinzip die gleichen Verfahrlängen wie mit einem Zahnstangenantrieb erreicht werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Kugelumlaufspindelantrieb für hohe Anforderungen an die Gesamtsteifigkeit, bei gleichzeitig größeren Verfahrwegen zuverwenden ist. Dies stellt weiterhin einen großen Vorteil für die Standardisierung von Maschinen dar, da der kostengünstige Kugelumlauf­ spindelantrieb (rotatorisch feststehender Kugelgewindestab) durchgängig für alle Verfahrwege verwendet werden kann.

Da durch die vielen Spindelspannstellen die Wärmeabfuhr wesentlich verbessert wird, ist mit einem geringerem Verschleiß und einer gleichbleibenden Genauigkeit zu rechnen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 den Querschnitt durch eine Tisch-Betteinheit mit Vorschubantrieb in stehender Kugelumlaufspindel- Ausführung. Unterhalb der Spindel und des Vorschubgetriebes befindet sich eine axiale Verspannungseinheit. Die Spannpratzen sind aufgeklappt dargestellt, so daß das Vorschubgetriebe darüber hinweg fahren kann (strichpunktiert sind die Spannpratzen in gespannter Stellung dargestellt).

Fig. 2 eine axiale Verspannungseinheit mit Vorschubgetriebe und Kugelumlaufspindel in der Seitenansicht. Die Spannpratzen sind ebenfalls geöffnet dargestellt.

Fig. 3 die axiale Verspannungseinheit in Vorderansicht, Seitenansicht und Draufsicht.

Fig. 4 prinzipielle Darstellung einer Kugelumlaufspindel mit mehreren axialen Verspannungseinheiten

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Erhöhung der Gesamtsteifigkeit eines Kugelumlaufspindel-Vorschubantriebes mit drehender Spindelmutter und feststehendem Spindelstab, dadurch gekennzeichnet, daß der Spindelstab an mehreren axial entlang der Spindellängsachse angeordneten Stellen an seinem Umfang durch Vorrichtungen axial verspannt wird, und die Verspannung an der Stelle, an der die drehende Spindelmutter die jeweilige Vorrichtung durchfährt, zeitweilig gelöst wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Spindelstab axial verspannten Vorrichtungen spannbackenähnlich ausgeführt sind und beim Durchfahren der Spindelmutter zur Seite klappen.