DE3689283T2

DE3689283T2 - Ausgleichsvorrichtung für die fehlausrichtung bei linearlagern.

Info

Publication number: DE3689283T2
Application number: DE86905051T
Authority: DE
Inventors: Vincent P Barkley
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-07-31
Filing date: 1986-07-31
Publication date: 1994-02-24
Anticipated expiration: 2006-08-01
Also published as: WO1987000893A1; US4637738A; DE3689283D1; EP0230469B1; EP0230469A1; EP0230469A4

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf den Ausgleich einer Ausrichtungsabweichung zwischen im wesentlichen zueinander in Flucht befindlichen Oberflächen und betrifft insbesondere eine Vorrichtung, die einen Querausgleich zwischen einem Paar von mit einer Ausrichtungsabweichung angeordneten Wellen durch eine Winkelauslenkung eines Lagerelementes, das mit einer der Wellen verbunden ist, wie es allgemein im US-Patent US-A-4-264 112 offenbart ist, ermöglicht.

Beschreibung von früheren Entwicklungen

Einachsige Präzisions-Bewegungsvorrichtungen, wie z . B. Positioniertische, Bahnschlitten und Wagen, die an manuellen, automatischen und numerisch gesteuerten Maschinen verwendet werden sind dafür bekannt, daß sie eine äußerst hohe Ausrichtungsgenauigkeit bei Herstellung und Montage erfordern. Für Positioniertische mit Linearbewegungslagern und Wellen sind eine absolute Parallelität und Geradlinigkeit der Wellen erforderlich. Daß das in der Praxis nicht zu erreichen ist, außer mit sehr hohen Kosten, besteht die Notwendigkeit für eine Ausgleichsvorrichtung, die die Querverlagerung der Welle ausgleichen kann, wobei die Steifigkeit des Lagersystems gegenüber Druck- und Zugbeanspruchungen erhalten bleibt.
Eine Ursache eines Wellenverlagerung ist die Nichtlinearität der Welle, wobei die Gradlinigkeit oder die Zylinderförmigkeit der Welle unzureichend ist. Diese Verlagerung ergibt eine Änderung der Entfernung der Mittelpunkte von zwei zueinander parallelen Wellen und kann ein Festfressen von Linearlagern hervorrufen, da sie über die Wellenoberflächen gleiten. Diese Änderung und dieses Festfressen kann selbst dann auftreten, wenn die Wellen so parallel wie möglich ausgerichtet sind. Weiterhin sind ungenügende Parallelität der beiden Wellen, Bauteiltoleranzen und unterschiedliche Wärmeausdehnung weitere Ursachen für die Änderung der Abstände von Mittelpunkt zu Mittelpunkt der Wellen.
Die Wirkungen solcher Änderung unausgeglichener Positioniersysteme sind ein Absinken der effektiven Tragfähigkeit der Lager, die den Positioniertisch gleitend abstützen, größerer Verschleiß und eine kürzere Lebensdauer der Bewegungs- und Berührungselemente, eine größere Reibung mit sich daraus ergebender größerer Antriebskraft und eine unbeständige Leistungsfähigkeit des Positioniersystems.
Frühere Entwicklungen beinhalten zwei Typen von Querausgleichsvorrichtungen. Der erste Typ verwendet ein in einem Zylinder aus verformbarem Material, wie z. B. Gummi, angebrachtes Linearbewegungslager. Während dieses Lager eine Querausgleichsvorrichtung ist, die wenig kostet, erhält sie jedoch nicht die "vertikale" Steifigkeit des Lagersystems. Das bedeutet, daß der Gummizylinder unter Druck- und Zugbelastung leicht ausgelenkt wird und daraus entsteht oft eine unzulässige Verzerrung und Verschiebung.
Der zweite Typ einer Querausgleichsvorrichtung verwendet einen Präzisions-Linearbewegungs-Schlitten, um den Ausgleich zu erzielen, wie es im US-Patent 4 264 112 beschrieben ist. Dieses Verfahren zur Lösung des Problems ist jedoch teuer. (Die Ausgleichsvorrichtung des US-Patentes 4 264 112 verwendet auf dem Wagen angebrachte und die Wellen lagernde Lagerböcke. Die Lagerböcke werden durch in Eingriff befindliche Führungsleisten auf dem Wagen gehalten, die eine Querbewegung der Lagerböcke in Bezug auf die Welle zulassen).
Die Versuche, die durchgeführt wurden, um die Entfernungsschwankungen zwischen den Mittelpunkten eines Paares von im wesentlichen parallelen Wellen zu beseitigen, haben dazu geführt, daß die Systemkosten bedeutend erhöht wurden und waren vollkommen unzulänglich. Somit besteht eine Notwendigkeit für eine wirtschaftliche Ausgleichsvorrichtung, die eine Querverlagerung zwischen einem Paar von im wesentlichen parallelen Lagerflächen wirksam ausgleicht, die Gesamtsystemkosten senkt und dabei die Steifigkeit des Lagersystems gegenüber einwirkenden Belastungen aufrechterhält.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, überwindet die vorher beschriebenen Probleme und hat daher das Ziel, eine Vorrichtung zu liefern, die eine Querverlagerung durch eine angepaßte Winkelbewegung eines Ausgleichslagerelementes, typischerweise verbunden mit einem Linearbewegungslager, ausgleicht.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, eine Ausgleichsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die Anforderungen an die Geradlinigkeit von Wellen für die gleitende Lagerung von Positioniertischen reduziert.
Ein noch anderes Ziel der Erfindung ist es, eine Ausgleichsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die Anforderungen an die Parallelität der Wellen verringert.
Ein noch anderes Ziel der Erfindung ist es, eine Ausgleichsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die Genauigkeitsanforderungen an den Positioniertisch herabsetzt und dadurch die Herstellung und die Montage der Positioniervorrichtungen erleichtert.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, eine Ausgleichsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die Genauigkeitsanforderungen an die Bauteile des Positioniertisches herabsetzt und dadurch größere Bauteiltoleranzen und eine einfachere Montage zuläßt.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, eine Ausgleichsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die Toleranz des Gesamtsystems gegenüber unterschiedlicher Wärmeausdehnung in einem Positioniertischsystem erhöht.
Ein noch anderes Ziel der Erfindung ist es, eine Ausgleichsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die effektive Tragfähigkeit der Lager von Positioniertischsystemen erhöht.
Ein noch anderes Ziel der Erfindung ist es, eine Ausgleichsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die den Verschleiß und die Reibung zwischen den Bewegungsbauteilen des Positioniertischsystems verringert und dadurch die Nutzungsdauer der Bewegungsbauteile verringert sowie die Anforderungen an die Antriebskraft des Systems herabsetzt.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, eine Ausgleichsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die Leistungsstabilität der montierten Einheiten erhöht.
Ein noch anderes Ziel der Erfindung ist es, eine billige Ausgleichsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die ein Festfressen eines Positioniertisches durch ungenügende Parallelität zwischen den ausgerichteten Wellen verhindert.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die zahlreichen Ziele, Merkmale und die damit verbundenen Vorteile der vorliegenden Erfindung können aus der folgenden detaillierten Beschreibung vollständiger erkannt und besser verstanden werden, wenn man die Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet, in denen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten gleiche oder entsprechende Teile bezeichnen. Fig. 1 bis 4 zeigen eine allgemeine Linearlageranordnung und Fig. 5 bis 7 zeigen Einzelheiten der Linearlageranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, teilweise als Schnitt dargestellt, eines Paares von axial beabstandeten Ausgleichsvorrichtungen, angeordnet über einem Paar von Linearlagern, die in einem Positioniertischsystem angewendet werden.
Fig. 2 ist eine vereinfachte Ansicht des kompensierten Positionierungssystems von Fig. 1 von oben, teilweise als Schnitt dargestellt, die schematisch eine Ausgleichsvorrichtung in Phantomdarstellung an ihren axialen Endpunkten auf der Welle zeigt;
Fig. 3 ist eine partielle seitliche Schnittansicht entlang den Linien III-III von Fig. 2, die die Drehung des Linearlagers um die Welle entgegen dem Uhrzeigersinn zeigt;
Fig. 4 ist eine partielle seitliche Schnittansicht entlang den Linien IV-IV von Fig. 2, die die Drehung des Linearlagers um die Welle im Uhrzeigersinn zeigt;
Fig. 5 ist ein Seitenriß einer Ausführung einer Doppel-Ausgleichsvorrichtung, in der das Linearlager nicht für eine Drehung um die Welle geeignet ist;
Fig. 6 ist ein Seitenriß einer Variation der in Fig. 5 gezeigten Ausgleichsvorrichtung, in der die elastischen nach unten weisenden Drehzapfenbereiche durch relativ starre Scharniere und Scharnierstifte ersetzt sind; und
Fig. 7 ist ein Seitenriß der in Fig. 5 dargestellten Ausgleichsvorrichtung, der die Ausgleichsvorrichtung in einer gedrehten Ausgleichsposition zeigt.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführung

Es soll nun eine allgemeine Linearlageranordnung unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben werden, in der z. B. ein Wagen (1), angebracht über einem Paar von im wesentlichen parallelen Lagerelementen oder Wellen (3a, 3b), gezeigt ist. Während hier kreisförmige Wellen gezeigt sind, kann auch ein Lagerstab oder eine Welle beliebigen Querschnittes verwendet werden, wenn der Rest der Baugruppe solche Lagerungen aufnehmen kann. Die Wellen können fest eingespannt in Spanneinrichtungen (5) sein, die wiederum an einer Lagergrundplatte (7) mit den Befestigungen (9) befestigt sind.
Eine Plattform oder ein Wagen (11) ist über Linearbewegungslager (13a, 13b) verschiebbar an den Wellen befestigt. Der Wagen kann Teil eines Positioniertisches, eines Montageroboters oder einer ähnlichen Vorrichtung sein, die eine genau gesteuerte Bewegung erfordern. Zwei Lager sind vorzugsweise, wie dargestellt, über jeder Welle angebracht, obwohl bei einigen Anwendungen auch ein einzelnes Lager auf jeder Welle angeordnet werden kann. Die gezeigten Linearlager sind in Lagerböcken (15) befestigt, wie sie bei Produktionseinrichtungen allgemein üblich sind. Das Lagerbockpaar auf der Welle (3b) ist starr auf einer unteren Fläche eines stabilen Montageblockes (17) befestigt, während das gegenüberliegende Lagerbockpaar auf der Welle (3a) an einem Paar von Ausrichtausgleichsvorrichtungen (19) befestigt, dargestellt ist.
Die Blöcke (17) und die Ausgleichsvorrichtungen (19) können unter Verwendung einer Standard-Schraubbefestigung an den Lagerböcken befestigt werden. Das Gehäuse der Ausgleichseinrichtung (19) besteht aus einem ersten unteren Lagerelement (19a), verbunden über einen flexiblen Stützteil (33) mit einem zweiten oberen Lagerelement (19b). Der Ausgleich des Versatzes, der mittels der Ausgleichsvorrichtungen (19) erfolgt, gestattet eine Klebe-Befestigung der Ausgleichsvorrichtungen und der Montageblöcke an den Lagerböcken unter Verwendung handelsüblicher Klebstoffe, wie z. B. Epoxydharzkleber, da zwischen den Lagerbökken und den Ausgleichsvorrichtungen eine relativ geringe Scherkraft erzeugt wird.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist eine perfekte Parallelität zwischen einem Paar von ausgerichteten Wellen im Grunde genommen nicht zu erreichen. Es gibt fast immer eine Verlagerung zwischen den Wellen. Diese Verlagerung ist in der Fig. 2 durch den Winkel A dargestellt, der angibt, daß die Welle (3a) in Bezug auf die Welle (3b) eine Neigung aufweist. Während eine lineare Verlagerung gezeigt ist, kann die Ausgleichsvorrichtung auch bei einer gekrümmten, wellenförmigen oder gebogenen Welle wirksam funktionieren. Wenn der axiale Mittelpunkt oder der Mittelpunkt in Längsrichtung (21) der Welle (3a) sich korrekt im vorgesehenen Querabstand von der Welle (3b) befindet, ist das Ende (23) der Welle (3a) zu weit vom Ende (25) der Welle (3b) entfernt, während das entgegengesetzte Ende (27) der Welle (3a) zu dicht zum Ende (29) der Welle (3b) liegt, so daß auf Grund der Wellenverlagerung um den Winkel A ein Querausgleich erforderlich ist.
Wie durch die gekrümmten Richtungspfeile (18) in Fig. 3 und 4 gezeigt, unterliegt, um den in Fig. 2 dargestellten unerwünschten Zustand zu erfassen und auszugleichen, die Ausrichtungsausgleichsvorrichtung (19) einer elastischen Winkelauslenkung um den im flexiblen Stützenteil (33) gelegenen Drehpunkt (31). Der flexible Stützenteil ist so konstruiert, daß er im wesentlichen starr ist, um unter einer säulenförmigen Druck- bzw. Zugbelastung (dargestellt durch die Pfeile C bzw. T), die engen Toleranzen zwischen Welle und Wagen einzuhalten, während eine Drehung mit relativ geringem Widerstand um den Drehpunkt (31) gestattet wird. Die Ausgleichsvorrichtung (19) ist vorzugsweise aus einem elastischen, ermüdungsfesten Material hergestellt, das einer Druck- oder Zugbelastung über den flexiblen Stützenteil (31) bis zur statischen Belastungsgrenze der Lager standhält. So kann die Ausgleichsvorrichtung z. B. aus einem Metall wie Aluminium oder aus Kunststoff, wie z. B. Nylon hergestellt sein. Die Ausgleichsvorrichtung kann stranggepreßt, gegossen, geschmiedet oder zerspanend bearbeitet aus jedem geeigneten Material hergestellt werden.
Die genauen Abmessungen der Ausgleichsvorrichtung hängen von den Belastungen und Betriebsbedingungen ab, denen sie unterliegt. Diese Abmessungen können unter Verwendung der bekannten Konstruktionsverfahren berechnet werden, um die Größe der Ausgleichsvorrichtung so zu gestalten, daß die gewünschte Flexibilität bei einer geringen Kraft gesichert ist, um eine ausreichend elastische Auslenkung um ihren flexiblen Stützendrehpunkt zu erhalten, wobei das Material der Ausgleichsvorrichtung den Ermüdungsfestigkeitsbeanspruchungen standhalten muß, um einen Querschnitt zu wählen, der die Spannungskonzentrationen minimiert und um einen Querschnitt zu erhalten, der eine säulenförmige Belastung bis zur statischen Belastungsgrenze der Lager aufnehmen kann.
In einer anderen Form der Erfindung ist die Ausgleichsvorrichtung (19) mit dem Lager zusammen in einem Block hergestellt. Der Lagerbockteil kann jedoch mit einem kreisförmigen Querschnitt hergestellt werden, um die Größe der Ausgleichsvorrichtung und der Lagerbaugruppe so klein wie möglich zu gestalten, wobei Spielraum, Kompaktheit und reduziertes Gewicht zu beachten sind. Die in der Fig. 5 dargestellte Doppel-Ausgleichsvorrichtung (19d), die der vorliegenden Erfindung entspricht, gewährleistet die gewünschte Vier-Punkt-Auslenkung um die acht halbzylindrisch ausgeschnittenen Oberflächen der vier nach unteren gerichteten Bereiche (45), so daß das Linearbewegungslager (13) jederzeit parallel zur Oberfläche (11a) der Plattform (11) ist. Fig. 7 zeigt die Auslenkung dieser Ausgleichsvorrichtung bei deren Verwendung. Andererseits könnte, wie aus der Fig. 6 ersichtlich ist, jeder der Bereiche (45) der Fig. 5 durch ein Scharnier (37) ersetzt werden, um die gleichen Ergebnisse zu erhalten. Das Scharnier ist vorzugsweise ein einfaches Scharnier mit ineinandergreifenden Bauteilen, drehbar verbunden durch einen Scharnierstift. Diese Anordnung gestattet die Verwendung von relativ sprödem Metallen, die höhere Belastungen aufnehmen können.
Bei den vorher beschriebenen Ausführungen der Ausgleichsvorrichtung wurde angenommen, daß sie unflexibel mittels starrer Klemmelemente angeordnet wurden. Bei jeder Ausführung kann jedoch das Linearbewegungslager starr an der Welle und die Ausgleichsvorrichtungen unterhalb der Klemmelemente oder direkt an der Welle angebracht werden. Jede Ausführung kann mit einem Klemmteil als einfaches Schienenlager ausgebildet sein zur Lagerung einer Schiene in einem offenen Lagerbock. Die Ausführung von Fig. 6 ist für Anwendungen bestimmt, bei denen eine Drehung des Linearlagers oder der Buchse nicht zugelassen werden kann und ein Radiallager ungünstig wäre. In diesem Falle könnte eine Welle mit rechteckigem Querschnitt und ein entsprechender Kanal mit rechteckigem Querschnitt im Lager ausgebildet werden. Eine solche Baugruppe ist mit einer Vielzahl von Drehzapfen oder Scharnieren versehen, um den gewünschten Verlagerungsausgleich zu gewährleisten. Aus den Zeichnungen ist ersichtlich, daß die Drehpunkte der Ausgleichsvorrichtung außen am Linearlager und von ihm beabstandet angeordnet sind.

Claims

1. Ausgleichsvorrichtung für die Ausrichtung bei einer linearen Lageranordnung (1), bestehend aus einem Paar von im wesentlichen parallelen Lagerelementen (3a, 3b), die einen beweglichen Wagen (11) abstützen und die Ausgleichsvorrichtung für die Ausrichtung (19) aus ersten und zweiten Lagerelementen (19a, 19b) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichvorrichtung für die Ausrichtung weiterhin vier Drehelemente (45) aufweist, jedes mit einer Drehachse, die im wesentlichen parallel zu den Lagerelementen (3a, 3b) angeordnet ist, die ersten und zweiten Lagerelemente (19a, 19b) drehbar über die vier Drehelemente (45) verbunden sind, so daß die Ausgleichsvorrichtung für die Ausrichtung einen Ausrichtfehler zwischen dem Paar von Lagerelementen (3a, 3b) über die Drehbewegung der vier Drehelemente aus gleicht und daß die Lagerelemente (19a, 19b) dabei parallel bleiben.

2. Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1, in der die Drehelemente (45) aus einem elastisch verformbaren Material gebildet sind, das während der Drehbewegung einer elastischen Winkelverformung unterliegt.

3. Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 2, in der die Drehelemente (45) als Teil eines reduzierten Querschnittes innerhalb des Materials ausgebildet sind, um die Drehbewegung zu erleichtern.

4. Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1, in der die Drehelemente (45) einen ersten, zweiten, dritten und vierten Teil zur Erleichterung der Drehbewegung um einen ersten, zweiten, dritten bzw. einen vierten Drehpunkt aufweisen.

5. Ausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1, in der die Drehelemente Gelenkelemente (37) sind.

6. Ausgleichvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungselemente (15) eines der Drehelemente (3a, 3b) einspannen.