DE2151582A1

DE2151582A1 - Hydrostatisch gelagerte welle

Info

Publication number: DE2151582A1
Application number: DE19712151582
Authority: DE
Inventors: Erhard Brueck
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Priority date: 1971-10-16
Filing date: 1971-10-16
Publication date: 1973-04-26
Also published as: CH564703A5; US3806208A; GB1369723A; JPS4846739A

Description

Hydrostatisch gelagerte Welle

Die Erfindung betrifft eine hydrostatisch gelagerte Welle, beispielsweise eine Spindel für Drehmaschinen.

Um feinmechanische und optische rotationssymnietrische Bauteile mit einem Höchstmaß an Formgenauigkeit und Oberflächengüte herstellen zu können, müssen die Werkstücke bereits beim Einspannen in die ruhende Maschine bezüglich der Drehachse bei laufender Maschine genau ausgerichtet werden. Dies erfordert ein möglichst geringes Lagerspiel bei den Wellen, welche die Werkstücke tragen. Eine gleiche spielfreie Lagerung muß für das Bearbeitungswerkzeug gefordert werden. Außerdem muß für das Drehen von Zylinderflächen unbedingt sichergestellt sein, daß die Verschiebung des Werkzeugs relativ zum Werkstück parallel zur Drehachse des Werkstücks verläuft.

Als praktisch spielfreie Lager haben sich hydrostatische Lager sowohl bei rotierenden Wellen als auch bei verschiebbaren Schlitten bewährt. Als Lagerfläche wirkt dabei eine Ölschicht, die durch Ölzufuhr dauernd unter Druck gehalten wird. Eine Drehmaschine, bei der alle kritischen Teile hydrostatisch gelagert sind, ist in Philips teohn. Rdsch. 1» 117-13²l·, 1969/7O₁ beschrieben. Die dargestellte Lösung is ^/jedoch technisch sehr aufwendig, da die Dreh- und Längsbewegungen ausführenden Baugruppen in getrennten Baueinheiten mit den ent spr e chendeijiLagern für die Rotation und die Translation untergebracht sind.

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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die soeben genannte bekannte Einrichtung derart zu verbessern, daß eine hydrostatisch gelagerte Welle vorhanden ist, die im gleichen Lager drehbar und verschiebbar ist, wobei die Antriebskräfte für Rotation und Translation jedoch voneinander entkoppelt sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine hydrostak tisch gelagerte Welle gelöst, die sich dadurch auszeich-" net, daß die Welle eine mit ihr starr verbundene zylindrische Druckplatte trägt und daß eine an diese Druckplatte angepaßte geschlossene und mit Öl gefülJ.te Kammer vorgesehen ist, welche mindestens ein hydrostatisches Lager für die drehbare und längs ihrer Achse verschiebbare Welle aufweist und mit mindestens zwei Öffnungen zur Variation des Öldruckes in den durch die Druckplatte definierten Teilräumen versehen ist. Dabei kann zusätzlich die Druckplatte in der Kammer hydrostatisch gelagert sein. An die Öffnungen der Kammer sind vorzugsweise in ihrer Durchlaufmenge regelbare Kanäle angeschlossen. Als Schubmittel für die Druckplatte ist aus der hydrostati- f sehen Lagerung herausgedrücktes Öl vorgesehen. Darüber hinaus kann als zusätzliches Schubmittel von außen zugeführtes Öl vorgesehen sein.

Zur axialen Lageregelung ist es zweckmäßig, wenn die Welle so ausgebildet ist, daß mindestens eine der Stirnflächen der Welle mindestens eine ebene Fläche aufweist und daß zwei gegeneinander weisende, auf einem gemeinsamen Träger montierte Düsen vorgesehen sind, die den ebenen Flächen gegenüber stehen und je über einen Kanari mit einem der Teilräume der Kammer in Verbindung stehend ablaufendes Öl gegen die ebenen Flächen leiten. Die ebenen Flächen können Stirnflächen einer rotationssymmetrischen Prallplatte sein, die konzentrisch an einem

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Ende der Welle starr befestigt ist. Der gemeinsame Träger für die Düsen kann parallel zur Längsachse der Welle verschiebbar gelagert sein.

In einer anderen Ausführung weist die Welle zwei parallel zu ihrer Längsachse verlaufende Bohrungen auf, die über Querbohrungen mit je einem der Teilräume verbunden sind und die in entgegengesetzten zur Wellenachse parallelen Richtungen enden, und den vorzugsweise als Düsen ausgebildeten Endöffnungen stehen nach Art einer Prallplatte wirkende ebene Flächen eines mechanischen Führungsgliedes gegenüber. In dieser Ausführungsform wird zweckmäßigerweise das Führungsglied parallel zur Achse der Welle verschiebbar gelagert«

Auch ist es möglich, im Ablaufkanal des einen Teilraumes eine konstanten Öldruck bewirkende Drossel vorzusehen, dem anderen Teilraum eine durch die Welle in Längsrichtung geführte Bohrung zuzuordnen, die in einer Stirnfläche der Welle endet und diesem Bohrungsende eine parallel zur Drehachse der Welle verschiebbare Prallplatte gegenüberstehen zu lassen, welche mit einer vorgegebenen Kraft gegen das Wellenende gedrückt wird. Dabei kann die gegen das Wellenende gerichtete auf die Prallplatte wirkende Kraft vom Konstantdruck in dem einen Teilraum abhängig sein.

In den Zeichnungen ist die erfindungsgemäße hydrostatisch gelagerte Welle in verschiedenen Ausführungsbeispielen schematisch dargestellt. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch das Lager und die dazugehörige Welle,

Fig» 2-5 Regeleinrichtungen zur axialen Positionierung der Welle und

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Fig. 6 eine Regeleinrichtung zur Erzeugung einer konstanten Andruckkraft der Welle gegen ein Werkstück.

In Fig. 1 ist eine Welle 10 in Lagern 11a, 11b hydrostatisch gelagert. Über ein Leitungssystem 12 wird der erforderliche Öllagerdruck P erzeugt. Die Welle 10 trägt eine mit ihr starr verbundene zylindrische Druckplatte 13, die sich in einer mit Öl gefüllten geschlossenen Kammer 14 befindet. Ein Motor 15 dreht die Welle 10 mit der auf ihr befestigten Druckplatte 13 in den Lagern 11a und 11b. Die hydrostatischen hager sind vorzugsweise so ausgebildet, daß der größte Teil des aus ihnen herausgedrückten Lagerö^les in die Kammer 14 geleitet wird, in der sich auf diese Weise ein gewisser Öldruck P ausbildet, der jedoch niedriger als der Lagerdruck P ist. Solange in den durch die Druckplatte 13 definierten Teilräumen i4a, 14b der Öldruck gleich groß ist, heben sich die auf die Druckplatte wirkenden Kräfte auf ,und die rotierende Welle hält ihre axiale Position bei. Durch in ihrer Durchlaufmenge regelbare Kanäle 15a und 15b läßt sich in den Teilräumen i4a, 1 4b ein unterschiedlicher Öldruck einstellen, so daß die Welle 10 durch die auf die Druckplatte 13 wirkenden resultierenden Kräfte axial verschoben wird. Da die aus den hydrostatischen Lagern herausgedrückten Ölmengen für eine schnelle Änderung der Druckverhältnisse in den Teilräumen unter Umständen nicht ausreichen, sind hier zusätzliche, den Teilräumen i4a, 14b zugeordnete regelbare ÖlZuführungen I6a und 16b vorgesehen, durch welche von außen Öl zusätzlich zugeführt werden kann.

In Fig. 2 ist zusätzlich zur Welle 10 auch die Druckplatte 13 mittels Lagertaschen 11c hydrostatisch gelagert. Die Ablaufkäiiäle 15a, 15b der Teilräume i4a, 14b

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sind flexibel rait zwei auf einem gemeinsamen Träger starr, aber gegebenenfalls einstellbar angebrachten Düsen 18a, 18b verbunden. Das aus diesen Düsen herausgedrückte Öl wird gegen die als ebene Flächen ausgebildeten Stirnflächen 10a, 10b der Welle 10 geleitet. Durch die Größe des Spaltes zwischen Düsenöffnung und Stirnfläche wird die Menge des aus dem jeweiligen Teilraum abfließenden Öles bestimmt. Da der Abstand der Düsenöffnungen voneinander durch den Träger I7 festgehalten wird, stellt sich die rotierende Welle 10 zwischen den Düsen in ihrer axialen Stellung automatisch so ein, daß die ablaufenden Ölmengen ausreichen, um in den beiden Teilräumen i4a, 14b einen gleichen Öldruck zu erzeugen. Wird gegenüber der Gleichgewichtsstellung der eine Spalt verengt und entsprechend der andere vergrößert , so wird in dem einen Teilraum wegen der geringeren Ölabflußmenge der Druck" ansteigen und in dem anderen wegen der vergrößerten Abflußmenge der Druck abfallen. Die dadurch entstehenden resultierenden Schubkräfte an der Druckplatte I3 verschieben die Welle solange, bis die Gleichgewiohtsstellung wieder erreicht ist. Durch Verschiebung des Trägers 17 in den Führungen 19a, 19b parallel zur Achse der Welle 10 hat u man somit ein bequemes Mittel in der Hand, um die Längsverschiebung der Welle von außen beispielsweise über einen Exzenterantrieb 20 zu steuern. Die für die Steuerung aufzuwendenden Kräfte sind sehr gering, da diese bei vorgegebenem Druck in den Teilräumen ika., Ikh der Größe der Düsenöffnung direkt proportional sind. Mit dem Träger I7 kann eine nicht mit dargestellte Anzeigevorrichtung gekoppelt sein, welche die jeweilige Ortslage der Druckplatte sinnfällig wiedergibt.

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Fig. 3 zeigt eine der vorhergehenden Figur äquivalente Lösung zur Steuerung der axialen Verschiebung der Welle 10. Auf der Welle 10 ist in diesem Fall auf der einen Stirnfläche eine rotationssymmetrische Prallplatte 21 konzentrisch starr befestigt. Die Ablaufkanäle der Teilräume i4a, 14b enden wiederum in zwei auf einem gemeinsamen Träger I7 angeordneten Düsen 18a, 18b, die das ablaufende Öl gegen. Vorder- und Rückseite der Prallplatte 21 leiten. Durch Verschiebung des Trägers I7 wird auch hier die axiale Lage der Welle 1O beeinflußt.

In Fig. 4 weist die Welle 10 parallel zu ihrer Längsachse zwei Bohrungen 30a, 30b auf, die über Querbohrungen mit je einem der Teilräume i4a, 14b verbunden sind und in der dem jeweiligen Teilraum benachbarten Stirnfläche der Welle 10 als düsenförmige Öffnungen 18a, 18b enden. Den düsenförraigen Öffnungen stehen nach Art einer Prallplatte wirkende ebene Flächen 22a, 22b gegenüber, die Teil eines mechanischen Führungsgliedes 22 sind. Die Ablaufkanäle 15a, 15b werden auf eine konstante Ölablaufmenge eingestellt, so daß die Größe der Spalte zwischen den düsenförmigen öffnungen 18a, 18b und den ebenen Flächen 22a, 22b den sich in den Teilräumen 14a, 14b ausbildenden Druck bestimmen. Bei einer Verschiebung des mechanischen Führungsgliedes 22 wird zunächst der eine Spalt verengt und der andere vergrößert. Die dadurch in den Teilräumen I4a, I4b entstehenden ungleichen Druckverhältnisee bewirken, daß die Welle automatisch der Verschiebung des Führungsgliedes solange folgt, bis sich in beiden Teilräumen wieder gleicher Druck eingestellt hat.

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In Fig. 5 sind die beiden parallel zur Längsachse der Welle verlatifenden Bohrungen, die über Querbohrungen mit den Teilräumen Ua, 1 4b in Verbindung stellen, mit ihren Endöffnungen auf die gleiche Seite der Welle geführt. Sie enden in zwei in entgegengesetzte Richtung weisenden ringförmigen Düsen 23a> 23b und leiten das austretende Öl gegen die beiden ebenen Flächen 22a, 22b des mechanischen Führungsgliedes 22.

Fig. 6 zeigt eine hydrostatisch gelagerte Welle, die unabhängig von ihrer axialen Lage ein Werkstück mit einer konstanten Andruckkraft bei rotierender Welle abtastet. Die Welle 10 hat zu beiden Seiten der Druckplatte 13 verschiedene Durchmesser, so daß sich in den beiden Teilräumen i4a, 1 4b verschieden große Flächen für die Druckplatte 13 ergeben. Der Öldruck in den Teilräumen 14a, 14b wird mit Hilfe des aus den hydrostatischen Lagern 11a, 11b, 11c herausgedrückten Öles und über die Zulaufleitungen 16a, 16b und die Ablaufleitungen 15a» 15b so eingestellt, daß auf die Druckplatte 13 eine resultierende Schubkraft in Richtung auf das abzutastende Werkstück 24 wirkt. Der Druck in dem Teilraum i4a wird vorzugsweise durch eine Drossel konstant gehalten. Über den Druck in dem Teilraum 14b kann dann die resultierende Andruckkraft geregelt werden. Bei axialer Verschiebung der Welle 10 infolge der Unebenheiten des abzutastenden Werkstücks 24 werden die eingestellten Druckverliältnisse jedoch verändert, wenn nicht zusätzliche Maßnahmen getroffen werden. Dem Teilraum 14b ist daher eine durch die Welle in Längsrichtung »■geführte Bohrung 30b zugeordnet, die in einer flächenhaften Öffnung 25 in der Stirnfläche des dem Teilrauin 14b benachbarten Wellenendes endet. Dieser Öffnung steht eine parallel zur Drehachse dor Welle 10 verschiebbare Prallplatte 26 gegenüber, dio von der entgegengesetzten Seite über

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einen Balg 27 und eine Leitung 28 mit dem Konstantdruck in dem Teilraum 14a beaufschlagt wird. Entgegen diesem Druck wirkt der aus der Öffnung 25 austretende Ölstrom, der unter dem Druck in dem Teilraum 14b steht. Das Flächenverhältnis der Flächen 25 und 27 ist gleich dem der Flächen der Druckplatte in den Teilräuraen 14», 14b, so daß die auf die Prallplatte 26 wirkenden Kräfte gegenüber denen, die auf die Druckplatte 13 wirken, um den Reduktionsfaktar der Flächen 25 und 27 herabgesetzt sind.

Venn für eine bestimmte axiale Lage der Welle 10 und des Werkstücks Zk der Berührungedruck gegen das Werkstück Zk festgelegt ist, hat sich der Spalt zwischen der Öffnung 25 und der Prallplatte Z6 so eingestellt, daß die dadurch ablaufende Ölmenge ausreicht, um den für den resultierenden Berührungsdruck erforderlichen Druck in dem Teilraum I4b aufrechtzuerhalten. Verschiebt das Werkstück 2k infolge seiner Unebenheit die Welle in axialer Richtung, so wird beispielsweise der Spalt zwischen der Öffnung 25 und der Prallplatte 26 verengt, so daß aus dem Teilraum 14b weniger öl abfließen kann. Dadurch steigt in dem Teilraum i4b der Druck an. Andererseits erniedrigt sich in glei- * eher Weise der Druck im Teilraum i4a. Der stärker werdende Druck des Ölströme aus der öffnung 25 verschiebt daher die Prallplatte 26 solange, bis sich die ursprünglichen Druckverhältnisse wieder eingestellt haben. Die durch die Größe der Flächen 25 und 27 erreichte Kraftuntersetzung ermöglicht somit eine sehr empfindliche Nachlaufregelung für den konstanten Andruck der Welle 10 gegen das Werkstück Zk. Mit der Prallplatte 26 kann eine nicht dargestellte Anzeigevorrichtung für die axiale Lage der Welle 10 gekoppelt sein.

Selbetverständlich kann statt des Konstantdruckes aus dem Teilraum i4a auch ein anderer, vom Druck im Teilraum i4a

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abweichender Fremddruck gegen die Prallplatte 26 gerichtet sein. In diesem Fall muß die gleiche Kraftuntersetzung durch ein entsprechend zu wählendes Flächenverhältnis an der Prallplatte 26 eingestellt werden.

Zusammenfassend ergeben sich folgende Vorteile bei der neuen Einrichtung: Sie ermöglicht im gleichen Lager sowohl Rotation als auch Translation der gelagerten Welle, wobei Rotation und Translation unabhängig voneinander gesteuert werden können. Insbesondere läßt sich die Translation von einem nicht rotierenden Teil aus steuern. Die beschriebenen Ausfuhrungsbeispiele zeigen außerdem, wie durch zweckmäßige Ausgestaltung der Welle die Steuerkräfte für die Translation um Größenordnungen kleiner gehalten werden können als die Verschiebekräfte der Welle.

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Claims

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Ansprüche

Hydrostatisch gelagerte Welle, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (10) eine mit ihr starr verbundene zylindrische Druckplatte (13) trägt und daß eine an diese Druckplatte angepaßte geschlossene und mit Öl gefüllte Kammer (1^) vorgesehen ist, welche mindestens ein hydrostatisches Lager (11a, 11b) für die drehbare und längs ihrer Achse verschiebbare Welle (1O) aufweist und mit

P mindestens zwei Öffnungen (15a, 15b; 16a, 16b) zur Variation des Öldruckes in den durch die Druckplatte definierten Teilräumen (i4a, i4b) versehen ist.

Hydrostatisch gelagerte Welle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Druckplatte (13) in der Kammer (Ik) hydrostatisch (11c) gelagert ist.

Hydrostatisch gelagerte Welle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die Öffnungen (15a, 15*>> I6a, 16b) der Kammer (14) vorzugsweise in ihrer Durchlaufmenge regelbare Kanäle angeschlossen sind.

Hydrostatisch gelagerte Welle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Schubmittel für die Druckplatte (13) aus der hydrostatischen Lagerung (11a, 11b_t 11c) herausgedrücktes Öl vorgesehen ist.

Hydrostatisch gelagerte Welle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliches Schubmittel von außen zugeführtes Öl vorgesehen ist.

Hydrostatisch gelagerte Welle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Stirnflächen der Welle (10) mindestens eine ebene

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Fläche (10a, 10b) aufweist und daß zwei gegeneinander weisende, auf einem gemeinsamen Träger (17) montierte Düsen (18a, 18b) vorgesehen sind, die den ebenen Flächen (10a, 10b) gegenüber stehen und je über einen Kanal mit einem der Teilräume (I***, .I***⁵) der Kammer (14) in "Verbindung stehend ablaufendes Öl gegen die ebenen Flächen (10a, 10b) leiten.

Hydrostatisch gelagerte Welle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Flächen Stirnflächen einer rotationssymmetrieohen Prallplatte (21) sind, die konzentrisch an einem Ende der Welle (10) starr befestigt ist.

Hydrostatisch gelagerte Welle nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Träger (17) für die Düsen (18a, 18b) parallel zur Längsachse der Welle (1O) verschiebbar gelagert ist.

Hydrostatisch gelagerte Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 51 dadurch gekennzeichnet, daß die Welle zwei parallel zu ihrer Längsachse verlaufende Bohrungen (30a, 30b) aufweist, die über Querbohrungen mit je einem der Teilräume (1^a, i4b) verbunden sind und die in entgegengesetzten zur Wellenachse parallelen Richtungen enden und daß diesen vorzugsweise als Düsen (18a, 18b; 23a, 23b) ausgebildeten Endöffnungen nach Art einer Prallplatte wirkende ebene Flächen (22a, 22b) eines mechanischen Führungsgliedes (22) gegenüberstehen.

Hydrostatisch gelagerte Welle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungsglied (22) parallel zur Achse der Welle (1O) verschiebbar gelagert ist.

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Hydrostatisch gelagerte Welle nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß im Ablaufkanal des einen Teilraumes (1^a) eine konstanten Öldruck bewirkende Drossel (29) vorgesehen ist, daß dem anderen Teilraum (i4b) eine durch die Welle in Längsrichtung geführte Bohrung (30b) zugeordnet ist, die in einer Stirnfläche der Welle $ 10) endet und daß diesem Bohrungsende eine parallel zur Drehachse der Welle verschiebbare Prallplatte ^ (26) gegenübersteht, welche mit einer vorgegebenen Kraft gegen das Wellenende gedruckt wird.

Hydrostatisch gelagerte Welle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die gegen das Wellenende gerichtete auf die Prallplatte (26) wirkende Kraft vom Konstantdruck in dem einen Teilraum (1^a) abhängig ist.

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