DE2731435C2 - Vorrichtung zur Linearführung, insbesondere Geradführung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Linearführung, insbesondere Geradführung, mit einem Paar parallel laufender Führungsschienen mit zwischen den Führungsschienen eingelegten Wälzkörpern, die sich an Laufstäben abwälzen, die parallel zueinander zu je zwei an jeder Führungsschiene in einem Laufstabbett angeordnet sind und für die Wälzkörper Laufbahnen bilden, deren Laufbahnfläche sich bei vorgegebenem Wälzkörperdurchmesser aus der elastostatischen Verformung des Laufstabquerschnittes ergibt, die dem die Lastübertragung beschreibenden Druckellipsoid entspricht, wobei die Maximalbreite der Laufbahnfläche im wesentlichen gleich der großen Achse des größtzulässigen Druckellipsoides ist.

Vorrichtungen dieser Art sind vielfach, beispielsweise aus der US-PS 31 45 065, bekannt und besitzen den wesentlichen Vorteil, daß die Laufstäbe sich frei zu den Wälzkörpern einstellen und diesen dadurch eine fast theoretisch ideale Abwälzbahn bieten können. Die sonst zur Herstellung einwandfreier Wälzkörper-Laufbahnen erforderliche aufwendige Bearbeitung der Führungsschienen wird dadurch vermieden. Das größtzulässige Druckellipsoid und damit die maximal zulässige Lastübertragung ergeben sich aus den höchstzulässigen Flächenpressungen und Verformungen an den die Lastübertragung bewirkenden Berührungsstellen der Wälzkörper und der Laufbahn. Jeder Maximallast ist daher ein besonderer Wälzkörperdurchmesser zugeordnet, so daß die große Achse des größtzulässigen Druckellipsoides und damit die maximale Laufbahnbreite nach der Theorie von Hertz für die Berührung fester elastischer Körper errechnet werden kann.

Derartige Führungen besitzen bekanntlich im Gegen-' satz zu Gleitführungen eine sehr geringe innere

ίο Reibung, da sich die Wälzkörper auf den Laufbahnflächen der Laufstäbe abwälzen, an den Laufbahnflächen also keine oder jedenfalls keine nennenswerte Reibkräfte entstehen können.
Das gilt auch dann, wenn — wie bei der Wälzführung nach der US-PS 31 45 065 — die Laufstäbe gegen die Wälzkörper vorgespannt sind, um auch bei nur geringer oder sogar fehlender Last die Wälzkörper und die Laufstäbe in gegenseitiger Berührung zu halten. Denn die Vorspannung hat qualitativ hinsichtlich der Bildung

der Laufbahnfläche keine andere Wirkung als wie die Last, lediglich ist die sich unter der Vorspannung allenfalls bildende Breite der Laufbahnfläche wegen der im Vergleich zur Maximallast kleinen Vorspannung ebenfalls klein im Vergleich zu der dem größtzulässigen Druckellipsoid entsprechenden Maximalbreite der Laufbahnfläche. Die Vorspannung allein vermag somit keine Reibungskräfte in der Führung und damit auch keine nennenswerte Eigendämpfung der Führung zu erzeugen, solange sich die durch die Vorspannung erzeugte elastische Verformung des Laufstabquerschnitts wie die durch die Last auf die Bildung der Laufbahnflächen beschränkt.

Die geringe innere Reibung und damit geringe Dämpfung der in Frage stehenden Wälzführungen ist zwar in der Regel ein Vorteil, da für die Verstellung der Führung nur entsprechend geringe Antriebskräfte erforderlich sind. Bei gewissen Anwendungen aber kann die sehr geringe Dämpfung in Führungsrichtung zum Nachteil werden, insbesondere im Fall von Großführungen, die bei entsprechend großen Massen zur Übertragung großer Lasten bestimmt sind. Unter Dämpfung wird dabei in üblicher Weise die durch Reibungskräfte bewirkte Energieaufzehrung verstanden, die sich am augenfälligsten in der Sprungantwort oder dem Frequenzgang eines schwingungsfähigen Systems, hier des geführten Teiles und der bewegten Führungsteile selbst, auf eine Fremderregung äußert und insbesondere zur Folge hat, daß im System angeregte Schwingungen umso kleinere Lageamplituden besitzen und umso schneller abklingen, je höher die Dämpfung ist. Vor allem im Werkzeugmaschinenbau mit seinen hohen Anforderungen an größte Positionstreue des geführten Teiles, beispielsweise Schlittens, dürfen sich vom Bearbeitungsprozess herrührende Schwingungen nur möglichst wenig auf den Schlitten übertragen, wenn Mängel an den bearbeiteten Werkstückflächen so gering wie möglich sein sollen. Wälzführungen mit ihrer geringen Eigendämpfung können derartige Schwingungen oft nicht ausreichend verhindern, so daß in solchen Fällen auf Gleitführungen zurückgegriffen werden muß, obwohl deren sehr hohe und in dieser Größe für die Dämpfung der störenden Schwingungen keineswegs benötigte innere Reibung entsprechend große Antriebe erfordert.

Zwar sind aus der DE-OS 24 39 755 für Wälzführungen Führungskäfige bekannt, in welchen die Wälzkörper verspannt sind, um eine Reibungsdämpfung zu erhalten. Jedoch sind die dabei für jeden einzelnen

Wälzkörper erreichbaren Einspannkräfte gering. Trotz verhältnismäßig aufwendigen Aufbaus des Führungskäfigs können daher nur geringe Reibungskräfte erhalten werden, deren auf die Führung ausgeübte Dämpfung entsprechend klein ist und insbesondere etwa bei 5 Großführungen mit hoher Masse nicht ausreicht Störbeeinflussungen im gewünschten Umfang zu unterdrücken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, ι ο daß die Führung eine Eigendämpfung aufweist und daß diese Eigendämpfung in Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfail nach den bezüglich Belastung und Leichtgängigkeit bestehenden Forderungen gezielt ausgelegt werden kann.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß mindestens einer der Laufstäbe beidseits der Maximalbreite seiner Laufbahnfläche Bremsflächen besitzt, die auch bei geringer oder fehlender Last durch Vorspannung der Laufstäbe gegen die Wälzkörper diesen unter elastischer Verformung des Laufstabquerschnittes bremsend anliegen.

Der durch die Erfindung erreichte Fortschritt besteht im wesentlichen darin, daß die erfindungsgemäße Führung eine interne Dämpfung besitzt, die das Lastübertragungsvermögen der Führung nicht beeinträchtigt Da die Bremsflächen, unabhängig von der Größe der übertragenen Last, immer außerhalb der Laufbahnfläche den Wälzkörpern anliegen, findet zwischen letzteren und den Bremsflächen, im Gegensatz zur Laufbahnfläche, eine echte gleitende Bewegung statt, die zu entsprechenden Reibungskräften und damit zu einer wesentlich erhöhten Eigendämpfung führt. Durch die Gestaltung des Laufstabquerschnittes, seiner Bremsflächen und seines elastischen Verformungsverhaltens im Bereich seiner Bremsflächen hat man es somit in Verbindung mit der Wahl der Vorspannung in der Hand, Größe und Anpressdruck der Bremsflächen gegen die Wälzkörper weitgehend beliebig zu wählen, so daß die innere Reibung und damit die Dämpfung der Führung nach Wunsch beeinflußt werden können.

In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist der die Bremsflächen tragende Laufstab ein in der Führung nicht oder nur wenig zur Lastübertragung beitragender Laufstab. In diesem Fall ist die Laufbahnfläche besonders schmal und die Lastübertragung kann durch die beidseits der Laufbahnfläche vorgesehenen Bremsflächen nicht beeinträchtigt werden. Selbstverständlich können die Bremsflächen aber auch an Laufstäben verwirklicht werden, die für die Lastübertragung wesentlich sind. Diese Ausführungsform ist gegenüber der vorerwähnten bevorzugten nur dadurch benachteiligt daß die dann notwendigerweise breitere Laufbahnfläche entweder kleinere Bremsflächen bei gleichem Laufstabdurchmesser oder Spezialprofile für die Laufstäbe erfordert, die der Ausbildung der gewünschten Bremsflächen neben der dann erforderlichen großen Maximalbreite der Laufbahnfläche in angemessener Weise Rechnung tragen.

Eine wegen ihrer Einfachheit besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet daß die Laufbahnfläche mit den Bremsflächen bei kraftfreiem Laufstab eine Zylinderfläche bildet, deren Radius kleiner als der Radius der Wälzkörper ist. Wird in diesem Fall der Laufstab gegen die Wälzkörper vorgespannt so daß er mit seiner gesamten konkaven, an den Enden die beiden Bremsflächen bildenden Stabfläche den Wälzkörpern anliegt, so bildet diese Fläche in ihrer Gesamtheit also einschließlich der Bremsflächen, keineswegs die Laufbahnfläche. Diese Laufbahnfläche ist vielmehr nur der mittlere Flächenbereich in der der großen Achse desjenigen Druckellipsoides entsprechenden Breite, das die Übertragung der Vorspannung zwischen Wälzkörper und Laufstab zusätzlich zu einer unter Umständen auch zu übertragenden Last beschreibt wobei die Vorspannung aber dann für die Laufbahnbreite bestimmend ist wenn zusätzlich zur Vorspannung zu Obertragende Lasten praktisch fehlen oder gegenüber der Vorspannung sehr gering sind. Seine Erklärung findet dieses zunächst überraschende Phänomen darin, daß die die Bremsflächen bildenden Seitenbereiche des Laufstabquerschnittes, jedenfalls bei nicht zu großen Laufstabquerschnitten und nicht zu hoch gewünschten Dämpfungswerten, im Sinne einer Aufspreizung des Laufstabquerschnittes elastisch »weicher« von den Wälzkörpern zurückweichen können als der die Laufbahnfläche bildende Mittelbereich, der sich wegen seiner praktisch nur rein kompressiblen elastischen Verformung wesentlich »härter« verhält. Bei Großführungen dagegen mit großen Laufstabquerschnitten und/oder bei Reibungskräften, die über etwa 15% der maximal übertragbaren Last liegen sollen, empfiehlt es sich außerdem, daß der Laufstab en der der Laufbahnfläche etwa diametral gegenüberliegenden Stelle seines Querschnittes eine das elastische Auffedern des Laufstabquerschnittes mit seinen Bremsflächen erleichternde Ausnehmung aufweist. Durch eine solche Ausnehmung können im übrigen auch immer die für die gewünschte Dämpfungswirkung erforderlichen elastischen Verformungswege des Laufstabquerschnittes größer als die Bearbeitungstoleranzen für die Laufbahnfläche und die Bremsflächen eingestellt bzw. umgekehrt bei gleichem Dämpfungsverhalten die Bearbeitungstoleranzen gröber gewählt werden.

Im folgenden wird die Erfindung an in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 eine Geradführung nach der Erfindung in einem Querschnitt,

Fig.2 das in Fig. 1 mit II bezeichnete Detail in vergrößerter Darstellung,

F i g. 3 in nur teilweiser Darstellung einen Querschnitt durch einen Bremsflächen tragenden Laufstab in einem der Fig.2 entsprechenden Querschnitt, jedoch in größerem Maßstab, und zwar in ungespannten Zustand des Laufstabes,

F i g. 4 den Gegenstand nach F i g. 3 bei vorgespanntem Laufstab.

In F i g. 1 sind die beiden parallel laufenden Führungsschienen mit 1 und 2 bezeichnet. Beide Führungsschienen 1, 2 bilden mit weiteren Führungsschienen la, 2a eine Geradführung für Schlitten, Tische oder dergl., die in Fig. 1 mit ib bezeichnet sind, während der feststehende Teil oder die Führungsbasis die Bezugsziffer 2b trägt. Der geführte Teil ib trägt in der Regel die kürzeren Führungsschienen 1 bzw. la, während die längere Führungsschiene 2 bzw. 2a am ortsfesten Teil 2b angeordnet ist. Die Führungsschienen 1,2, la sind durch Schrauben 3 mit dem geführten bzw. ortsfesten Teil ib, 2b verbunden, können aber grundsätzlich auch einstückig mit dem geführten bzw. ortsfesten Teil ausgebildet sein. Die Führungsschiene 2a ist nachstellbar angeordnet, was aber im vorliegenden Zusammenhang keiner weiteren Beschreibung bedarf. Zwischen den Führungsschienen 1,2 sind Wälzkörper 4

eingelegt, die in Wälzkörperkäfigen S gelagert sind und sich an Laufbahnflächen 6 abwälzen, die von Laufstäben 7,8 gebildet sind, welche bis auf den den Wälzkörpern 4 zugewandten Flächenabschnitt im wesentlichen kreiszylindrischen Querschnitt besitzen. Diese Laufstäbe 7, 8 sind parallel zueinander zu je zwei an jeder Führungsschiene 1,2 angeordnet.

Im Ausführungsbeispiel ist der Wälzkörperkäfig 5 eine starre Käfigschiene, die sich gegenüber den Führungschienen 1, 2 um jeweils deren halben Verstellweg verschiebt. Jedoch besteht durchaus auch die Möglichkeit, statt dessen eine Wälzkörperkette vorzusehen, die an einer der Führungsschienen 1, 2 endlos umlaufend geführt ist, um die Wälzkörper 4 am Ende der Führungsschiene umzulenken und an den Anfang zurückzuführen.

Die Laufstäbe 7, 8 liegen in einem Bett 9 der Führungsschienen i, 2, in dem sich die Laufstäbe 7, β frei zu den Wälzkörpern 4 einstellen können. An den Enden der Führungsschienen 1, 2 können die Laufstäbe 7, 8 kraftschlüssig gegen die Führungsschienen verspannt sein, um Längsverschiebungen der Laufstäbe 7, 8 gegenüber den Führungsschienen 1, 2 auszuschließen, wenn in Führungsrichtung hohe Beschleunigungs- oder Verzögerungskräfte übertragen werden müssen. Derartige Laufstabverspannungen sind nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung und bedürfen daher keiner weiteren Beschreibung. Es genügt zu sagen, daß sie, so weit sie vorgesehen ist, keinesfalls die freie Einstellung der Laufstäbe 7, 8 gegenüber den Wälzkörpern 4 beeinträchtigt

In den Ausführungsbeispielen sind die Wälzkörper 4 Kugeln. Die Laufbahnflächen 6 der Laufstäbe 7, 8 sind daher entsprechend dem Kugelradius der Wälzkörper 4 gekrümmt. Da sich die Laufbahnfläche 6 elastisch den Wälzkörpern 4 anpaßt, richtet sich die Breite der Laufbahnfläche 6 im wesentlichen nach der von der Führung zu übertragenden Last. Die in F i g. 4 mit 6a bezeichnete Breite der Laufbahnfläche 6 quer zur Führungsrichtung stimmt daher im wesentlichen mit der großen Achse des die Lastübertragung zwischen dem Wälzkörper 4 und dem Laufstab 7, 8 beschreibenden Druckellipsoides überein. Daraus ergibt sich, daß die Laufbahnfläche 6 weitgehend unabhängig davon ist, wie im übrigen die den Wälzkörpern 4 zugekehrte Fläche der Laufstäbe 7,8 ausgebildet ist Die Laufstäbe können daher, so weit sie, wie im Ausführungsbeispiel die Laufstäbe 7, allein zur Lastübertragung Verwendung finden, im Querschnitt völlig kreiszylindrisch ohne jeden Anschliff oder mit ebenem oder zylindrischem Anschliff für die Wälzkörper 4 versehen sein, wobei allerdings in letzterem Fall der Schmiegungsradius R 1 des Anschliffes größer als der Radius R des Wälzkörpers 4 ist wie dies ir. F i g. 2 arn Beispie! der Laufbahnstäbe 7 bei !Q dargestellt ist Wird nämlich in F i g. 1 die Gesamtlast durch den Pfeil F dargestellt so wird diese Gesamtlast von beiden Führungen übertragen. Je Führung ergibt dies einen Lastanteil, der in F i g. 2 durch den Pfeil FA angedeutet ist Dieser Lastanteil wird auf den feststehenden Führungsteil 2b im wesentlichen über die beiden Laufstäbe 7 fibertragen und im feststehenden Führungsteil 2b durch eine Gegenkraft aufgenommen, die in Fig.2 durch den Pfeil FR angedeutet ist Die Laufstäbe 8 tragen dagegen zur Lastübertragung wenig oder gar nichts bei Sie dienen daher vorzugsweise zur Verwirklichung der internen Dämpfung der Wälzführung. Dazu besitzen die beiden Laufstäbe 8 beidseits ihrer Laufbahnfläche 6 Bremsflächen U, die bei kraftfreiem Laufstab 8 in die Bahn der Wälzkörper 4 vorstehen, wie es F i g. 4 erkennen läßt, im übrigen aber sich den Wälzkörpern 4 unter elastischer Verformung des Laufstabquerschnitts bremsend anlegen. Der bei kraftfreiem Laufstab 8 unverformte Laufstabquerschnitt ist in Fig.3 ausgezogen dargestellt und in Fig.4 gestrichelt bei jeweils 12 angedeutet, während die ausgezogen gezeichnete Darstellung in Fig.4 den

ίο Laufstabquerschnitt in seiner die Dämpfung bewirkenden elastisch verformten Gestalt zeigt. Man erkennt aus dem Vergleich der den Laufstab in seinem Bett ungespannt und vorgespannt zeigenden Fig.3 und 4, daß im vorgespannten Zustand des Laufstabes 8 gleichsam eine Auffederung des Laufstabquerschnittes in Richtung der Pfeile 13 an den Wälzkörpern stattfindet, so daß die sich beidseits an die Laufbahnfläche 6 anschiieBenden Bremsflächen i i entgegengesetzt zu diesen Pfeilen 13 gegen die Wälzkörper 4 drücken und diese bremsen. Die in Führungsrichtung hintereinander liegenden Wälzkörper 4 besitzen eine gemeinsame zylindrische Hüllfläche, die mit dem größten Querschnittskreis der kugelförmigen Wälzkörper 4 übereinstimmt und in den F i g. 3 und 4 mit 14 bezeichnet

ist. Über diese axial in Führungsrichtung liegende zylindrische Hüllfläche 14 ragen die Bremsflächen 11 bei kraftfreiem Laufstab 8 entsprechend der gestrichelten Darstellung in Fig.4 in den von den Wälzkörpern 4 durchlaufenen, von der zylindrischen Hüllfläche 14 umschlossenen Zylinderraum hinein. Die Bremsflächen 11 können dabei von der Laufbahnfläche 6 durch Einschnitte, Einkerbungen oder dergl. abgesetzt sein. Herstellungsmäßig einfacher aber ist die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform, bei der die Laufbahnfläche 6 mit den Bremsflächen 11 eine Zylinderfläche bildet, deren Radius R 2 bei kraftfreiem Laufstab 8 entsprechend F i g. 3 kleiner als der Radius R der Wälzkörper 4 ist Daraus ergibt sich für die elastische Verformung des Laufstabquerschnitts ein für die Dämpfung wirksamer Federweg, der in F i g. 3 mit 15 bezeichnet ist Um diese Verformung und damit das Auffedern des Laufstabquerschnittes in Richtung der Pfeile 13 zu erleichtern, sind die die Bremsflächen 11 tragenden Laufstäbe 8 an der der Laufbahnfläche 6 etwa diametral gegenüberliegenden Stelle ihres Querschnittes mit einer Ausnehmung 16 versehen. Je nach Gestaltung dieser Ausnehmung 16 ist es möglich, die Federsteifigkeit und den Federweg 15 der elastischen Querschnittsverformung der Laufstäbe 8 zu beeinflussen, also beispielsweise eine vorgegebene Brems- bzw. Dämpfungskraft je Wälzkörper 4 mit Hilfe von Verformungswegen 15 zu erreichen, die oberhalb vorgegebener Fertigungstoleranzen liegen, so daß die Herstellung der durch die LsufbahnHsche 6 und die Bremsflächen 11 in F i g. 3 gebildeten Zylinderfläche des Laufstabquerschnittes und seiner Ausnehmung 16 keine besonders engen Toleranzen erfordert und daher keine hohen Anforderungen stellt

Um den Einlauf der aus dem kürzeren Führungs- oder

Schlittenteil austretenden Wälzkörpergruppe zu verbessern und stoßfrei zu halten kann es zweckmäßig sein, die Enden der kürzeren Lauf stäbe mit einem kegeligen Anschliff zu versehen. Die Höhe des kegeligen Anschliffes kann.normalerweise frei gewählt werden

es jedoch empfiehlt es sich, den Einlauf um so schlanker zn machen, je größer der Federweg IS ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Linearführung, insbesondere Geradführung, mit einem Paar parallel laufender Führungsschienen mit zwischen den Führungsschienen eingelegten Wälzkörpern, die sich an Laufstäben abwälzen, die parallel zueinander zu je zwei an jeder Führungsschiene in einem Laufstabbett angeordnet sind und für die Wälzkörper Laufbahnen bilden, deren Laufbahnfläche sich bei vorgegebenem Wälzkörperdurchmesser aus der elastostatischen Verformung des Laufstabquerschnittes ergibt, die dem die Lastübertragung beschreibenden Druckellipsoid entspricht, wobei die Maximalbreite der Laufbahnfläche im wesentlichen gleich der großen Achse des größtzulässigen Druckellipsoides ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Laufstäbe (7,8) beidseits der Maximalbreite seiner Laufbahnfläche (6) Bremsflächen (11) besitzt, die auch bei geringer oder fehlender Last durch Vorspannung der Laufstäbe gegen die Wälzkörper (4) diesen unter elastischer Verformung des Laufstabquerschnitts bremsend anliegen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Bremsflächen (11) tragende Laufstab (8) ein in der Führung nicht oder nur wenig zur Lastübertragung beitragender Laufstab ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufbahnfläche (6) mit den Bremsflächen (11) bei kraftfreiem Laufstab (8) eine Zylinderfläche bildet, deren Radius (R 2) kleiner als der Radius (/y der Wälzkörper (4) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufstab (8) an der der Laufbahnfläche (6) etwa diametral gegenüber liegenden Stelle seines Querschnittes eine das elastische Auffedern des Laufstabquerschnittes mit seinen Bremsflächen (11) erleichternde Ausnehmung (16) aufweist.