-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Führungseinrichtung mit einer
Führungsschiene
und einem in einer Laufrichtung verschiebbar auf der Führungsschiene
geführten
Laufwagen, wobei zur Bildung einer Wälzkörperführung mehrere Wälzkörper innerhalb
des Laufwagens aufgenommen sind und in an der Führungsschiene angeordneten
Führungsbereichen
zur Führung
des Laufwagens abwälzen,
und wobei die Führungsbereiche
einen jeweiligen Abstand zueinander aufweisen, über den eine Vorspannung der
Wälzkörperführung bestimmt
ist.
-
Im
Werkzeugmaschinenbau sind Führungseinrichtungen
mit einer Rollen- oder Kugelführung bekannt,
die vorzugsweise in Großmaschinen
und Präzisionsmaschinen
eingebaut werden. Häufig
werden die Laufwagen auf sogenannten Flachkäfigen mit Kugeln, Rollen oder
Nadeln gelagert. Die Wälzkörper wälzen auf
gehärteten
und geschliffenen, flachen, V-förmigen
oder schalenförmigen
Führungsbahnen
ab. Verteilt über
den Querschnitt der Führungsschiene
sind meistens vier Führungsbereiche in
Gestalt von Führungsbahnen
angeordnet, damit sowohl Druckbelastungen als auch Zugbelastungen, die
auf den Laufwagen wirken, aufgenommen werden können. Der Laufwagen ist in
jeder Richtung geführt
und weist lediglich einen Freiheitsgrad in Laufrichtung auf.
-
Aus
der
EP 0 795 692 B1 ist
eine Führungseinrichtung
mit einer Führungsschiene
und einem in einer Laufrichtung verschiebbar auf der Führungsschiene
geführten
Laufwagen bekannt, wobei zur Bildung einer Wälzkörperführung mehrere Wälzkörper innerhalb
des Laufwagens aufgenommen sind und in an der Führungsschiene angeordneten
Führungsbereichen
zur Verfügung
des Laufwagens abwälzen. Dabei
sind die Führungsbereiche über jeweilige
Abstände
zueinander in ihrer Position bestimmt, über die die Vorspannung der
Wälzkörperführung bestimmt
ist. Die Fertigungstoleranzen der Abstände der Führungsbereiche zueinander werden
durch Wälzkörper ausgeglichen,
die einen passgenauen Durchmesser aufweisen. Wälzkörper können herstellungsbedingt oder
in gewollter Weise verschiedene Durchmesser aufweisen und nach diesen
sortiert werden. Damit ist die Möglichkeit
geschaffen, die gewünschte
Vorspannung zwischen dem Laufwagen und der Führungsschiene zu bestimmen,
was ebenfalls durch eine spanende Bearbeitung der Führungsbereiche
mit oder auch ohne die Wahl sortierter Wälzkörper möglich ist.
-
Bei
derartigen Führungseinrichtungen,
die insbesondere in Werkzeugmaschinen eingesetzt werden, wird das
Ziel verfolgt, dass der Laufwagen spielfrei mit einer gewissen Vorspannung
auf der Führungsschiene
geführt
ist. Je höher
die Vorspannung der Wälzkörperführung gewählt wird,
desto höher
ist die Steifigkeit der Führungseinrichtung.
Hingegen ergibt sich ein höherer
Laufwiderstand, der mit einer erhöhten Belastung und somit mit
einem erhöhten
Ermüdungsverschleiß gekoppelt
ist. Daher besteht bei den aus dem Stand der Technik bekannten Führungseinrichtungen
nicht die Möglichkeit,
das Problem der gegensätzlichen
Zielsetzung zu lösen, nämlich zum
einen eine hohe Steifigkeit der Wälzkörperführung bereitzustellen, und
andererseits eine geringe Belastung und somit einen geringen Ermüdungsverschleiß und einen
geringen Laufwiderstand der Wälzkörperführung zu
erzielen.
-
Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Führungseinrichtung
mit einer Wälzkörperführung zu
schaffen, die eine an die Erfordernisse angepasste Vorspannung der
Wälzkörperführung aufweist.
-
Diese
Aufgabe wird ausgehend von einer Führungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen
gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Die
Erfindung schließt
die technische Lehre ein, dass der Abstand der Führungsbereiche zueinander im
Verlauf der Führungsschiene
in Laufrichtung um ein Änderungsmaß veränderlich
ist, um eine in Laufrichtung sich ändernde Vorspannung der Wälzkörperführung zu
schaffen.
-
Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung
der Führungsschiene
bietet den Vorteil, dass die Vorspannung der Wälzkörperführung in Abhängigkeit der
Position über
der Längserstreckung
der Führungsschiene
in Laufrichtung unterschiedlich ist. In den Bereichen, in denen
die Führungseinrichtung eine
hohe Steifigkeit aufweisen muss, ist der Abstand der Führungsbereiche
zueinander vergrößert, so dass
eine höhere
Vorspannung und damit eine höhere
Steifigkeit vorliegen. In den Bereichen, in denen lediglich eine
geringe Vorspannung der Wälzkörperführung erforderlich
ist, ist der Abstand der Führungsbereiche
zueinander verringert, so dass die Vorspannung abnimmt oder die
Wälzkörperführung sogar eine
gewisse Luft weist.
-
Beispielsweise
kann im Einsatz der Führungsschiene
in einer Werkzeugmaschine der Bereich, in dem die Werkzeugführung eine
hohe Steifigkeit aufgrund hoher auftretender Kräfte aufweisen muss, einen erhöhten Abstand
der Führungsbereiche
zueinander aufweisen. In dem Bereich, in dem die bewegten Teile
der Werkzeugmaschine frei verfahren, ohne eine Bearbeitung vorzunehmen,
ist der Abstand der Führungsbereiche
gering ausgebildet, so dass ein Änderungsmaß vorliegt,
das eine geringe Steifigkeit schafft. Somit sind die Belastung und
der Verschleiß der
Wälzkörperführung und
der Laufwiderstand des Laufwagens auf der Führungsschiene in den Bereichen,
in denen die Steifigkeit nicht oder nicht in großem Maße erforderlich ist, minimal.
Die hohe Steifigkeit ist lediglich auf den Abschnitten entlang der
Führungsschiene
gegeben, in denen große Kräfte übertragen
werden müssen,
eine hohe Führungsgenauigkeit
notwendig ist oder dies auf Grund des dynamischen Verhaltens (Eigenfrequenzen, Dämpfung)
der Struktur gefordert ist.
-
Vorteilhafterweise
ist der Laufwagen mittels vier Führungsbereichen
auf der Führungsschiene
geführt,
welche als schalenförmige
Führungsbahnen ausgebildet
sind. Wird der Laufwagen vertikal in Richtung der Führungsschiene
belastet, so nehmen die unterhalb angeordneten Führungsbereiche die eingeleiteten
Kräfte
auf, wobei bei einer Zugbelastung in nach oben gerichteter vertikaler
Richtung das obere Paar der Führungsbereiche
die Kraftaufnahme vornimmt. Aufgrund der über den Querschnitt der Führungsschiene
4-fach angeordneten Führungsbereiche
können
diese jeweils und unabhängig
voneinander sich ändernde
Abstände
zueinander aufweisen. Die Ausgestaltung der Führungsbereiche als schalenförmige Führungsbahn
bietet eine vorteilhafte Kontaktgeometrie für kugelartige Wälzkörper gegenüber einer
Planfläche,
da die Kontaktflächen
vergrößert sind
und damit die Flächenpressungen
kleiner werden. Sind die Wälzkörper in
Gestalt von Rollen ausgebildet, so können die Führungsbereiche als im Wesentlichen
plane Führungsbahnen
hergestellt werden, sodass ein Linienkontakt zwischen dem Wälzkörper und
dem Führungsbereich
erzeugt wird.
-
Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform der
Erfindung ist durch ein Änderungsmaß gegeben, welches
anteilig aus einem vertikalen Änderungsmaß und einem
horizontalen Änderungsmaß gebildet ist.
Dabei ändern
sich die horizontalen und vertikalen Abstände der schalenartigen Führungsbahnen
zueinander mit sich ändernder
Position in der Laufrichtung. Das effektive Änderungsmaß setzt sich daher aus der
horizontalen und der vertikalen Komponente der sich ändernden
Abstände
der schalenartigen Führungsbahnen
zusammen. Eine Änderung
der Abstände
in nur einer Richtung ist dabei ebenso möglich, sodass entweder nur
das horizontale Änderungsmaß oder das
vertikale Änderungsmaß vorliegt.
-
Eine
weitere Ausführungsform
der Führungsschiene
kann in einer Führungsschiene
mit einem kreisförmigen
Querschnitt gesehen werden, sodass eine radialsymmetrische Führungsstange
gebildet ist. Die Führungsbereiche
sind folglich durch die zylinderförmige Oberfläche der
Führungsschiene
gebildet, so dass das Änderungsmaß lediglich
durch eine Durchmesseränderung
der zylinderförmigen Führungsschiene
hergestellt werden kann. Die radiale Position des Laufwagens in
Drehrichtung um die Laufrichtung ist bei einer stangenartigen Ausführung der
Führungsschiene
nicht mehr bestimmbar, sodass auch die Führungsbereiche durch vollständige zylinderförmige Oberflächen der
Führungsschiene
gebildet sind. Die Wälzkörperführung kann
als Kugelführung
ausgebildet sein, welche in Form eines Kugelkäfigs die radialsymmetrische
Führungsstange
vollständig
umschließt.
Diese als Kugelführung
oder Hülsenführung bezeichnete
Führungseinrichtung
kann ebenfalls erfindungsgemäß ausgeführt sein,
indem das Änderungsmaß durch
eine Durchmesseränderung
der radialsymmetrischen Führungsstange
erzeugbar ist. In den Bereichen, in denen die Wälzkörperführung eine geringe Steifigkeit
aufweisen soll, kann die Führungsstange
einen geringeren Durchmesser aufweisen, und in den Bereichen, in
denen die Wälzkörperführung eine
erhöhte
Steifigkeit aufweisen soll, nimmt der Durchmesser der Führungsstange
um das Änderungsmaß beziehungsweise
um das doppelte Änderungsmaß bezogen
auf den Durchmesser zu.
-
Eine
weitere Ausführungsform
der Führungsschiene
kann in einer Spindel eines Gewindetriebes gesehen werden. In diesem
Fall bewirkt eine Wirkdurchmesseränderung des Spindelgewindes eine Änderung
der Vorspannung der über
Kugeln oder Rollen auf der Spindel abgestützten Mutter.
-
Vorteilhafterweise
ist die Änderung
des wenigstens einen Abstandes der Führungsbereiche zueinander in
Laufrichtung der Führungsschiene
durch wenigstens ein kontinuierlich übergehendes Änderungsmaß gebildet.
Durch eine entsprechende Zustellung im Schleifprozess bei der Herstellung
der Führungsschiene
kann das Änderungsmaß eingestellt werden.
Bei der Einstellung eines Änderungsmaßes kann
dieses kontinuierlich, d.h. harmonisch von einem geringen Änderungsmaß in ein
größeres Änderungsmaß übergehen,
sodass keine Kante im Führungsbereich
entsteht.
-
Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform
ist die Führungsschiene
aus mehreren Teilstücken
gebildet, die in Laufrichtung aneinandergereiht sind, wobei die
Teilstücke
unterschiedliche Abstände
der zugeordneten Führungsbereiche
zueinander aufweisen. Bei dem Einsatz einer Führungseinrichtung mit einer
Werkzeugmaschine kann beispielsweise ein Teilstück mit einem großen Abstand
der Führungsbereiche
an der Stelle eingesetzt werden, an der eine hohe Steifigkeit erforderlich
ist. Bei einer Ausbildung der Führungsschiene
aus Teilstücken
können
diese wahlweise miteinander ausgetauscht werden, sodass eine Anpassung
der Führungsschiene
an unterschiedliche Erfordernisse möglich ist. Beispielsweise kann
bei einer wiederkehrenden Bearbeitung bestimmter Werkstücke in einer Großwerkzeugmaschine
abhängig
von der Position, in der spezifisch für das Bauteil hohe Steifigkeiten
erforderlich sind, entsprechende Teilstücke eingesetzt und gegen Teilstücke mit
geringer Steifigkeit ausgetauscht werden, wenn für die Bearbeitung eines anderen
Werkstückes
eine hohe Steifigkeit an einer anderen Position in Laufrichtung
erforderlich ist.
-
Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen
werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
-
Es
zeigen:
-
1 eine
perspektivische Ansicht einer Führungseinrichtung
mit einem Laufwagen, welcher in Laufrichtung auf einer Führungsschiene
beweglich aufgenommen ist;
-
2A und 2B einen
jeweiligen Querschnitt durch eine Führungsschiene, in denen sowohl ein
vertikales als auch ein horizontales Änderungsmaß dargestellt sind;
-
3 eine
weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Führungsschiene,
welche als radialsymmetrische Führungsstange
mit einem Kreisquerschnitt ausgebildet ist.
-
In 1 ist
eine perspektivische Ansicht einer Führungseinrichtung 1 gezeigt,
welche eine Führungsschiene 2 umfasst,
die sich in eine Laufrichtung 3 erstreckt. Auf der Führungsschiene 2 ist
ein Laufwagen 4 angeordnet, welcher in Laufrichtung 3 auf der
Führungsschiene 2 beweglich
ist. Die Laufrichtung 3 ist mittels eines Pfeils angedeutet,
welche zugleich die Erstreckungsrichtung der Führungsschiene 2 beschreibt.
Die Führungsschiene 2 ist
nur in einem beispielhaften Teilstück gezeigt, wobei linksseitig
in der Bildebene ein Endbereich der Führungsschiene 2 dargestellt
ist, und diese sich in einer nicht näher definierten Länge rechtsseitig
in die Bildebene hineinerstreckt. Neben verschiedenen Dichtungskomponenten
weist der Führungswagen 4 Montageeinrichtungen
auf, mittels derer eine übergeordnete Baugruppe
an den Laufwagen 4 angebracht werden kann. Die Führungsschiene 2 kann
mittels einer Verschraubung beispielsweise auf einem Maschinenbett angebracht
werden, sodass der Laufwagen 4 in Richtung der Laufrichtung 3 über dem
Maschinenbett geführt
ist.
-
Die
Führungsschiene 2 weist
ein Querschnittsprofil mit einer Konturierung auf, welche einen
gewissen Hinterschnitt umfasst. In der Seitenkontur der Führungsschiene 2 sind
Führungsbereiche 6 vorgesehen.
Gemäß der Darstellung
sind vier Führungsbereiche 6 gezeigt,
sodass zwei Führungsbereiche
eine untere Führung
für eine
Wälzkörperführung darstellen,
wobei zwei weitere Führungsbereiche 6 eine
obere Führung
bilden. Durch das hinterschnittene Querschnittsprofil können die
vier Wälzkörperführungen
derart vorteilhaft angeordnet sein, dass der Laufwagen 4 gegenüber der
Führungsschiene 2 eine
Kraftaufnahme in jeder Richtung ermöglicht. Die Führungsbereiche 6 sind
schalenartig ausgebildet, sodass kugelförmige Wälzkörper in diesen abwälzen können. Die
Lage der Führungsbereiche 6 ist
durch das Querschnittsprofil der Führungsschiene 2 bestimmt.
Wie in der 1 erkennbar, erstrecken sich
die Führungsbereiche 6 entlang
der Laufrichtung 3, wobei eine Wälzkörperführung – in der Ansicht nicht näher gezeigt – eine positionsunabhängige Führung des
Laufwagens 4 in Laufrichtung 3 ermöglicht.
-
Die 2A und 2B zeigen
eine Querschnittsansicht der Führungsschiene 2.
Die Führungsschiene 2 umfasst
vier Führungsbereiche 6, welche
in der Außenkontur
der Führungsschiene 2 ausgebildet
sind. Die Führungsbereiche 6 entsprechen
den schalenförmigen
Führungsbahnen,
in denen die Wälzkörper der
Wälzkörperführung abrollen können. Die
Wälzkörper 5 sind
beispielhaft in jedem der Führungsbereiche 6 in
einer Abwälzposition
dargestellt.
-
Die
Führungsbereiche 6,
welche sich in der Kontur der Führungsschiene 2 befinden
und einen Teil dieser bilden, bilden gemeinsam mit den Wälzkörpern 5 und
der Wälzkörperführung innerhalb
des Laufwagens eine Anordnung mit einer geringen Vorspannung. Wird
die Position der Führungsbereiche 6 in
Längserstreckung
der Führungsschiene 2 um
ein Änderungsmaß 7 verändert, so
befinden sich die Führungsbereiche
an den Positionen 6'.
Damit weisen die Führungsbereiche 6' einen kleineren
oder größeren Abstand
zueinander auf, wobei in 2A ein Änderungsmaß 7 in
vertikaler Richtung dargestellt ist, und in der 2B das Änderungsmaß 8 in horizontaler
Richtung angedeutet ist.
-
Bei
einem kontinuierlichen Übergang
der Position der Führungsbereiche 6 in
die Position der Führungsbereiche 6' wandern die
Wälzkörper 5 in
die erhöhte
Position der Führungsbereiche 6', sodass sich die
Vorspannung der Wälzkörperführung deutlich
erhöht.
Damit erhöht
sich zugleich die Steifigkeit der Wälzkörperführung, was zu einer niedrigeren
Nachgiebigkeit fuhrt, die bereichsweise im Einsatz einer Führungseinrichtung
erforderlich ist. Dabei können die
Führungsbereiche
entweder nur um das vertikale Änderungsmaß 7,
nur um das horizontale Änderungsmaß 8 oder über die Änderung
sowohl in vertikaler als auch horizontaler Richtung verändert werden.
-
3 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer Führungsschiene 2,
welche einen radialsymmetrischen Querschnitt aufweist und damit
als Führungsstange
ausgebildet ist. Linksseitig in der Bildebene weist die Führungsstange 2 einen
kleinen Durchmesser auf, welche in einen größeren Durchmesser übergeht,
der rechtsseitig in der Bildebene dargestellt ist.
-
Die
Wälzkörper der
Wälzkörperführung laufen
auf der zylinderförmigen
Oberfläche
der Führungsstange 2 ab,
sodass der erste Führungsbereich 6 linksseitig
dargestellt ist und einen kleinen Durchmesser aufweist, und sodass
sich eine geringe Vorspannung der Wälzkörperführung ergibt. Diese geht um
ein Änderungsmaß 9 in
einen größeren Durchmesser über, sodass
ein zweiter Führungsbereich 6' gebildet ist,
welcher um das doppelte Änderungsmaß 9 größer ist.
Damit ist die Vorspannung der Wälzkörperführung erhöht, da die
Wälzkörper nunmehr über den
größeren Durchmesser
abwälzen.
Daher besteht im Sinne der vorliegenden Erfindung auch für Stangenführungen
die Möglichkeit, über die Änderung des
Durchmessers der Stange die Vorspannung der Wälzkörperführung zu erhöhen, um
in Bereichen hoher Belastung, hoher geforderter Führungsgenauigkeit
oder hoher übertragender
Kräfte
die Steifigkeit groß wählen zu
können,
wohingegen in Bereichen, in denen die Führungseinrichtung eine kleine
Steifigkeit erfordert, die Führungsstange 2 einen
geringeren Durchmesser aufweist.
-
Die
Erfindung beschränkt
sich in ihrer Ausführung
nicht auf das vorstehend angegebene, bevorzugte Ausführungsbeispiel.
Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten
Lösung
auch bei grundsätzlich
anders gearteten Ausführungen
Gebrauch macht. Die Erfindung schließt ebenfalls die Möglichkeit
ein, dass die Führungsbahnen 6 als
separate Bauteile ausgeführt sind,
die auf dem Körper
der Führungsschiene 2 beispielsweise
durch eine Verschraubung o.ä.
aufgebracht sind. Das Änderungsmaß 7 bzw. 8 ist
in den separaten Bauteilen selbst eingearbeitet, sodass einerseits
die Führungsschiene 2 selbst
in Laufrichtung gleichförmig
ausgeführt
ist und nur um die Änderungsmaße 7, 8 verschieden
dicke Führungsbahnen 6 aufgeschraubt
werden. Andererseits stellt sich ein erforderlicher Austausch der
Bauteile zur Anpassung der Vorspannung der Wälzkörperführung der Führungsbahnen 6 einfacher
dar.
-
- 1
- Führungseinrichtung
- 2
- Führungsschiene
- 3
- Laufrichtung
- 4
- Laufwagen
- 5
- Wälzkörper
- 6
- Führungsbahn
- 7
- Änderungsmaß
- 8
- Änderungsmaß
- 9
- Änderungsmaß