DE3521055C2

DE3521055C2 - Vorschubvorrichtung

Info

Publication number: DE3521055C2
Application number: DE3521055A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Tokio/Tokyo Teramachi
Original assignee: Individual
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 1984-06-13
Filing date: 1985-06-12
Publication date: 1992-11-19
Anticipated expiration: 2005-06-13
Also published as: GB2160948B; GB2160948A; IT1185018B; JPH0470505B2; GB8512406D0; KR890000274B1; JPS60263765A; FR2566084A1; KR860000196A; DE3521055A1; FR2566084B1; US4693131A; IT8521116A0

Abstract

Zuführvorrichtung mit einer Kugelumlaufspindel, die einen auf einem festen Bett (1) bewegbar gelagerten Tisch (4) umfaßt. Eine Kugelumlaufspindelwelle (8) ist an einem ihrer Enden mittels des festen Bettes (1) so gelagert, daß die Kugelumlaufspindelwelle (8) in ihrer Drehrichtung bewegbar und in ihrer axialen Richtung unbewegbar ist. Eine Kugelnut (20) ist auf die Kugelumlaufspindelwelle (8) über Stahlkugeln (31) aufgepaßt und wird mittels des bewegbaren Tischs (4) so gelagert, daß die Kugeln (20) in ihrer Drehrichtung bewegbar und in ihrer axialen Richtung unbewegbar ist. Am festen Bett (1) ist zur Drehung der Kugelumlaufspindelwelle (8) ein erster Antrieb (14) vorgesehen, und ein zweiter Antrieb (36) ist am bewegbaren Tisch (4) befestigt und arbeitsmäßig mit der Kugelnut (20) über eine hohle Transmissionswelle (35) verbunden. Die Kugelumlaufspindelwelle (8) wird mit ihrem anderen Ende konzentrisch in der hohlen Innenseite der Transmissionswelle (35) so aufgenommen, daß die Kugelumlaufspindelwelle (8) relativ zur Transmissionswelle (35) drehbar und in axialer Richtung bewegbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorschubvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Vorschubvorrichtung ist aus der DE-OS 20 43 918 bekannt.
Bei der aus der DE-OS 20 43 918 bekannten Vorschubvorrichtung für einen Werkzeugmaschinenschlitten sind auf einer axial unverschiebbar gelagerten Antriebswelle zwei Kugelgewindekörper axial verschiebbar und drehfest aufgekeilt, welche mittels gegeneinander verdrehbarer Kurvenscheiben axial vorgespannt sind. Das Außengewinde der Kugelgewindekörper steht über Kugeln in Eingriff mit dem Innengewinde einer kreissegmentförmigen Kugelmutter, welche an dem Werkzeugmaschinenschlitten starr befestigt ist. Bei einer Drehung der Antriebswelle wird die Kugelmutter mit dem daran befestigten Schlitten axial zur Antriebswelle verschoben. Verwendet man hierzu einen Schrittmotor mit einer vorgegebenen Schritteilung, z. B. 800 Schritte pro Umdrehung, so läßt sich der Werkzeugmaschinenschlitten nur mit einer bestimmten Geschwindigkeit verschieben. Um wahlweise eine Schnellverschiebung des Schlittens zum Grobvorschub und eine langsame Schlittenverschiebung zum Feinvorschub zu erzielen, bedarf es extrem teurer Schrittmotoren mit einer sehr großen, umschaltbaren Schritteilung oder der Zwischenschaltung eines mehr oder weniger schlupfbehafteten Getriebes, wie es beispielsweise aus der US-PS 31 59 046 bekannt ist. Bei der dort beschriebenen Vorschubvorrichtung sind zwei getrennte Kugelumlaufspindeln mit separatem Antrieb vorgesehen, deren Kugelmuttern über ineinander kämmende Ritzel getrieblich verbunden sind. Beide Kugelmuttern sind drehbar an einer gemeinsamen Lagerplatte gelagert, die mit einem Schlitten fest verbunden ist. Die beiden Spindelantriebe werden gegenläufig betrieben, so daß die Lagerplatte mit dem daran befestigten Schlitten mit einer der Drehzahldifferenz der beiden Antriebe entsprechenden Geschwindigkeit verschiebbar ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darin, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art dahingehend zu verbessern, daß unter Beibehaltung einer hohen Vorschubgenauigkeit eine Variation der Vorschubgeschwindigkeit ohne schlupfbehaftete Getriebemittel und ohne aufwendige Schrittmotoren mit großer, umschaltbarer Schritteilung ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorschubvorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, nicht nur die Kugelumlaufspindel mit einem Antrieb zu versehen, sondern auch die Kugelmutter, welche deshalb nicht mehr starr, sondern drehbar an dem zu verschiebenden Tisch gelagert wird. Die Kugelumlaufspindel weist ebenso wie die Kugelmutter ein Spiralgewinde auf, wobei zwischen den beiden Spiralgewinden die Kugeln angeordnet sind, welche Spindel und Mutter praktisch schlupffrei miteinander koppeln. Werden die Antriebe von Spindel und Mutter gegensinnig betrieben, so addieren sich die Drehzahlen beider Antriebe, was zu einem entsprechend schnellen Vorschub führt. Bei gegenläufigem Betrieb beider Antriebe subtrahieren sich die Drehzahlen, was zu einem entsprechend langsamen Vorschub führt. Zweckmäßigerweise wählt man als Antriebe Schrittmotoren mit unterschiedlichen Schritteilungen, welche relativ klein gewählt sind, um mit billigen Schrittmotoren auskommen zu können. Durch die erwähnte Addition und Subtraktion der Drehzahl bzw. Schritte pro Umdrehung ergibt sich auch bei relativ kleiner Schrittteilung die Möglichkeit eines schnellen Grobvorschubs und eines langsamen Feinvorschubs. Da die Schrittmotoren direkt an die Spindel bzw. die Mutter angekoppelt werden können, steht ein weitgehend schlupffreier Vorschubantrieb mit variabler Vorschubgeschwindigkeit zur Verfügung. Im Sinne einer weiteren Schupfverringerung ist es vorteilhaft, die Kugelmutter aus zwei koaxial zueinander liegenden Teilen auszubilden, welche mittels eines dazwischen gelegten Ringes axial gegeneinander verspannt werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorschubvorrichtung;
Fig. 2 einen Axialschnitt durch die Vorschubvorrichtung nach Fig. 1;
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 1;
Fig. 4 einen vergrößerten Schnitt durch eine bei der Vorschubvorrichtung nach Fig. 1 verwendeten Kugelmutter längs ihrer Längsachse;
Fig. 5 einen Schnitt durch einen bei der Vorschubvorrichtung nach Fig. 1 verwendeten bewegbaren Tisch, und
Fig. 6 eine zur Hälfte geschnittene Vorderansicht einer bei der Vorschubvorrichtung nach Fig. 1 verwendeten Lagerung.
In den Fig. 1 bis 3 ist ein festes Bett 1 mit an beiden Seiten ausgebildeten Flanschen 1 a dargestellt. Ein Paar paralleler Spurschienen 2 sind entsprechend an den Oberflächen der Flansche 1 a angeordnet. Auf diesen Spurschienen 2, 2 ist über vier Lager 3 ein bewegbarer Tisch 4 für eine lineare Bewegung so angeordnet, daß der bewegbare Tisch 4 auf den Spurschienen 2 in axialer Richtung des festen Bettes 1 gleitbar ist.
Wie man aus den Fig. 1 und 2 sieht, ist eine Endplatte an einem Ende (das rechte Ende in Fig. 1 und 2) des Bettes 1 befestigt. An der Endplatte 5 ist ein Lagergehäuse 7 befestigt. Das Lagergehäuse 7 lagert drehbar ein Ende einer Kugelumlaufspindel 8 über ein Lager 9, das aus einem zweireihigen Schrägkugellager besteht, wobei sich die Kugelumlaufspindel 8 parallel zu den Spurschienen 2 erstreckt. Der sich von dem Lager 9 erstreckende Endabschnitt der Kugelumlaufspindel 8 ist über eine Kupplung 15 mit einer Drehwelle 14 a eines Schrittmotors 14 verbunden, der als erster Antrieb dient und an einer Halterung 13 befestigt ist, die an der Endplatte 5 des Bettes 1 befestigt ist.
Die Kugelumlaufspindel 8 ist auf ihrer äußeren Umfangsfläche mit einem Spiralgewinde (z. B. einem Rechtsgewinde) 8 a im wesentlichen über ihre gesamte Länge 8 mit Ausnahme des Lagerabschnitts an einem ihrer Enden versehen. Auf die Kugelumlaufspindel 8 ist eine weiter unten beschriebene Kugelmutter 20 aufgepaßt. Die Kugelmutter 20 wird in einem Gehäuse 22 über ein Lager 25 in Form eines zweireihigen Schrägkugellagers gelagert, so daß die Kugelmutter 20 in axialer Richtung unbewegbar, jedoch in ihrer Drehrichtung bewegbar ist. Das Gehäuse 22 ist an der Unterseite des bewegbaren Tisches 4 mittels Befestigungen 21, z. B. Schrauben, befestigt. Wenn die Kugelumlaufspindel 8 gedreht wird, bewegt sich die Kugelmutter 20 entsprechend relativ zur Kugelumlaufspindel 8 in axialer Richtung.
Der Aufbau der Kugelmutter 20 soll nun unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben werden.
Die zylindrische Kugelmutter 20, die auf den äußeren Umfang der Kugelumlaufspindel 8 aufgepaßt ist, besteht aus einem ersten zylindrischen Mutterteil 28, das einen Ringflansch 28 b an einem seiner Enden aufweist, einem zweiten zylindrischen Mutterteil 29, und einem Distanzring 30, der zwischen dem ersten und zweiten Mutterteil 28 und 29 angeordnet ist. Das erste und zweite Mutterteil 28 und 29 weisen jeweils auf ihrem Innenumfang ein Spiralgewinde 28a bzw. 29 a auf, das dem Spiralgewinde 8 a auf dem Außenumfang der Kugelumlaufspindel 8 entspricht und die gleiche Steigung wie letzteres aufweist. Mehrere Stahlkugeln 31 sind zwischen diesen Gewindegängen 28 a, 29 a und dem Gewinde 8 a angeordnet. Somit rollen, wenn die Kugelumlaufspindel 8 gedreht wird, die Stahlkugeln 31 innerhalb des Raums zwischen dem Gewinde 8 a, der Kugelumlaufspindel 8 und den entsprechenden Gewindegängen 28 a, 29 a des ersten und zweiten Mutterteils 28, 29, wodurch die Kugelmutter 20, die durch das erste und zweite Mutterteil 28, 29 gebildet wird, sich relativ zur Kugelumlaufspindel 8 in axialer Richtung bewegt. In diesem Fall sind das erste und zweite Mutterteil 28 und 29 durch den zwischen ihnen angeordneten Distanzring in entgegengesetzte Richtungen vorgespannt. Es ist somit kein Axialspiel zwischen den Stahlkugeln 31 und den Gewindegängen 8 a, 28 a und 29 a vorhanden, wodurch es ermöglicht ist, daß die Kugelmutter 20 sich in axialer Richtung der Kugelumlaufspindel 8 sofort in Abhängigkeit von einer Drehung der Welle 8 ohne irgendeine Verzögerung bewegt.
Die Kugelmutter 20 ist mit einem als Zweitantrieb dienenden Schrittmotor 36 über eine hohle Transmissionswelle 35 verbunden, d. h., der Schrittmotor 36 ist am bewegbaren Tisch 4 über eine Halterung 37 befestigt. Die sich drehende Welle 36 a des Schrittmotors 36 ist an einem der Enden der hohlen Transmissionswelle 35 befestigt. Ein Ende der Kugelmutter 20 ist in eine ringförmige Muffe 35 a eingepaßt, die einstückig mit dem anderen Ende der Transmissionswelle 35 ausgebildet ist. Die Muffe 35 a und die Kugelmutter 20 sind miteinander mittels Verriegelungsstiften 38 und einem Keil 39 verbunden, so daß sie sich miteinander als Einheit drehen. Die Transmissionswelle 35 ist konzentrisch zur Kugelumlaufspindel 8 angeordnet, wobei ein Ende der Kugelumlaufspindel 8 in die hohle Innenseite 35 b der Transmissionswelle 35 so eingepaßt ist, daß die Welle 8 drehbar und axial gleitbar ist.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Bezugszeichen 40 und 41 in der Zeichnung Distanzstücke bezeichnen, die zwischen einem Paar Schrägkugellager 9 angeordnet sind, während das Bezugszeichen 42 ein Distanzstück bezeichnet, das zwischen einem der Schrägkugellager 9 und der Muffe 35 a der Transmissionswelle 35 angeordnet ist.
Wie man in Fig. 5 und 6 sieht, ist der bewegbare Tisch 4 gleitbar auf den Spurschienen 2 über vier Lager 3 für eine lineare Bewegung gelagert. Das heißt, jedes der Lager 3 ist auf seiner Innenfläche mit Nuten 50 für belastete Kugeln und Nuten 51 für unbelastete Kugeln versehen, die sich axial zum Lager 3 erstrecken und abwechselnd in seiner Umfangsrichtung angeordnet sind. Jede Nut 50 für belastete Kugeln und Nut 51 für unbelastete Kugeln, die benachbart zur Nut 50 für belastete Kugeln angeordnet ist, sind kontinuierlich an ihren Enden miteinander verbunden, so daß sie eine endlose Bahn ausbilden. Jede Spurschiene 2 ist ebenfalls mit Kugellaufflächen 52 so ausgebildet, daß sie den entsprechenden Nuten 50 für belastete Kugeln an jedem der zugeordneten Lager 3 entsprechen. Mehrere Kugeln 53 sind zwischen den Nuten 50 für belastete Kugeln und den Kugellaufflächen 52 und in den Nuten 51 für unbelastete Kugeln angeordnet. Die Kugeln 53 werden mittels eines Käfigs 54 gehalten, der zwischen jedem Lager 3 und der entsprechenden Spurschiene 2 angeordnet ist. Entsprechend bewegen sich die Lager 3 auf den Spurschienen 2 in axialer Richtung, die Kugeln 53 rollen durch den Raum zwischen den Nuten 50 für belastete Kugeln und den Rollenbahnen 52 und gelangen in die Nuten 51 für unbelastete Kugeln, wo sich die Kugeln 53 axial zum Lager 3 bewegen, und kehren zum Raum zwischen den Nuten 50 für belastete Kugeln und den Kugellaufflächen 52 zurück. Somit ist eine störungsfreie Bewegung des bewegbaren Tischs auf den Spurschienen 2 sichergestellt.
Im folgenden soll die Arbeitsweise der oben beschriebenen Vorschubvorrichtung erläutert werden.
Es sei angenommen, daß

1. der mit der Kugelumlaufspindel 8 verbundene Schrittmotor 14 ein Schrittmotor mit 800 Schritten, d. h. einem Drehwinkel von ³⁶⁰/₈₀₀ = 0,45° pro Schritt ist, daß
2. der mit der Kugelmutter 20 verbundene Schrittmotor 36, ein Schrittmotor mit 1000 Schritten ist, und
3. das Gewinde 8 a auf der Kugelumlaufspindel 8 ein Rechtsgewinde mit einer Steigung von 4 mm ist.

Wird unter diesen Annahmen der Schrittmotor 36 im Uhrzeigersinn um einen Schritt gedreht, wobei der Schrittmotor 14 stillsteht, so wird die Kugelmutter 20 um ³⁶⁰/₁₀₀₀ = 0,36° in gleicher Richtung über die Transmissionswelle 35 gedreht, wodurch sich die Kugelmutter 20 in axialer Richtung um 4 × (^0,36/₃₆₀) = 0,004 mm relativ zur Kugelumlaufspindel 8 nach links (gesehen in Fig. 1 und 2) bewegt. Entsprechend wird der bewegbare Tisch 4 um die gleiche Strecke in gleicher Richtung (nach links) auf den Spurschienen 2 durch das Gehäuse 22 bewegt. Wenn der Schrittmotor 36 um einen Schritt im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird, bewegt sich die Kugelmutter 20 axial um 0,004 mm relativ zur Kugelumlaufspindel 8 nach rechts, wodurch der bewegbare Tisch ebenfalls um die gleiche Strecke auf den Spurschienen 2 in gleicher Richtung (nach rechts) bewegt wird.
Wenn andererseits der Schrittmotor 36 im Uhrzeigersinn gedreht wird und der Schrittmotor 14 in der entgegengesetzten Richtung (im Gegenuhrzeigersinn) relativ zur Drehrichtung des Schrittmotors 36 gedreht wird, wird die Kugelumlaufspindel 8 durch den Schrittmotor 14 über die Kupplung 15 um ³⁶⁰/₈₀₀ = 0,45° im Gegenuhrzeigersinn gedreht, wodurch sich die Kugelmutter 20 auf der Kugelumlaufspindel 8 axial relativ zur Welle 8 nach links um 4 × ( ^0,45/₃₆₀) = 0,005 mm bewegt. Das heißt, die Kugelmutter 20 wird in axialer Richtung der Kugelumlaufspindel 8 um 0,009 mm nach links bewegt, wobei dies die Summe der Bewegungen aufgrund der Drehung des Schrittmotors 14, d. h. 0,005 mm und der Drehung des Schrittmotors 36, d. h. 0,004 mm ist. Dies bedeutet, daß die Kugelmutter 20 schnell zugeführt wird oder im Schnellvorschub arbeitet.
Wird der Schrittmotor 36 im Uhrzeigersinn gedreht, so erfolgt, wenn der Schrittmotor 14 um einen Schritt in der gleichen Richtung (im Uhrzeigersinn) wie die Drehrichtung des Schrittmotors 36 gedreht wird, eine Bewegung der Kugelmutter 20 axial um 0,005 mm relativ zur Kugelumlaufspindel 8 nach rechts durch die Drehung der Welle 8 im Uhrzeigersinn. Entsprechend wird die Kugelmutter 20 in axialer Richtung der Kugelumlaufspindel 8 um 0,001 mm nach rechts bewegt, welches die Differenz zwischen der Bewegung der Drehung des Schrittmotors 14 (d. h. 0,005 mm und der Bewegung der Drehung des Schrittmotors 36, d. h. 0,004 mm) ist. Damit wird die Kugelmutter 20 im Feinvorschub bewegt.
Es soll darauf hingewiesen werden, daß, obwohl bei der oben beschriebenen Ausführungsform Schrittmotoren als Antrieb 14 und 36 verwendet werden können, auch andere Antriebe, wie z. B. Servomotoren, verwendet werden können.
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Claims

1. Vorschubvorrichtung mit einer Kugelspindel- und -mutteranordnung zum Bewegen eines auf einem festen Bett axial beweglich gelagerten Tisches, mit einer Kugelumlaufspindel (8), die mit ihrem einen Ende drehbar und axial unbeweglich an dem Bett (1) gelagert ist, einer Kugelmutter (20), die über Kugeln (31) auf der Kugelumlaufspindel (8) gelagert und an dem Tisch (4) axial unbeweglich gelagert ist, und einem ersten, an dem Bett (1) montierten Antrieb (14) zum Drehen der Kugelumlaufspindel (8), dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelmutter (20) drehbar an dem Tisch (4) gelagert ist und über eine das andere Ende der Kugelumlaufspindel (8) aufnehmende Hohlwelle (35) von einem zweiten, an dem Tisch (4) montierten Antrieb (36) drehbar ist, und daß die beiden Antriebe unabhängig voneinander betätigbar sind, derart, daß ein Fein- und ein Grobvorschub des Tisches (4) allein durch die getrennten Antriebe (14, 36) der Kugelumlaufspindel (8) und der darauf gelagerten, einzigen Kugelmutter (20) erzielbar sind.

2. Vorschubvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelmutter (20) aus einem ersten und einem zweiten zylindrischen Mutterteil (28 und 29) besteht, und daß die beiden koaxial zueinander angeordneten Mutterteile (28, 29) durch einen dazwischen angeordneten Distanzring (30) in gegenläufige Axialrichtungen vorgespannt sind.

3. Vorschubvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebe (14, 36) Schrittmotoren mit unterschiedlicher Schritteilung vorgesehen sind.