DE3731194A1 - Kugelumlaufspindel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kugelumlaufspindel, wie diese insbesondere für numerisch gesteuerte Vorschubantriebe Ver­ wendung finden.

Die bekannten Kugelumlaufspindeln mit aus der Spindelmut­ ter herausgeführten Kugelrücklaufrohren (Dubbel, 14. Aufla­ ge, S. 1068, Bild 21) werden zum Antreiben von Linearach­ sen schon vielfältig eingesetzt und zeichnen sich vor al­ lem durch hohe Tragfähigkeiten bei hoher Steifigkeit aus, so daß diese für den Werkzeugmaschinenbau besonders geeig­ net sind. Nachteilig sind bei den bekannten Kugelumlauf­ spindeln noch die relativ geringen erzielbaren Verfahrge­ schwindigkeiten ( 1,5 m/s) sowie die Drehzahlgrenzen, re­ sultierend aus biegekritischer Drehzahl und kritischer Dreh­ zahl bedingt durch die Art der Kugelrückführung. Aus die­ sen Gründen werden in der Robotertechnik bisher bei höhe­ ren Verfahrgeschwindigkeiten von Linearachsen Riemen-, Ketten- und Seiltriebe eingesetzt. Dies erfordert jedoch Untersetzungsgetriebe mit dadurch erhöhtem Spiel, eine ge­ ringere Steifigkeit und Neigung zu Schwingungen, sowie ein relativ großes Bauvolumen, weil Antriebsachse und Linear­ achse orthogonal zueinander stehen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Kugelumlauf­ spindel, die besonders für die Robotertechnik, Handhabungs­ technik aber auch im allgemeinen Werkzeugmaschinenbau für NC-gesteuerte Linearachsen bei relativ geringem Ferti­ gungs- und Raumaufwand verwendbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Kugelumlaufspindel gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in einer Spindelmutter min­ destens eine kreisförmige, exzentrisch und parallel zu den Spindelgewindegängen angeordnete Kugelrückführbahn ausge­ bildet ist, welche sich in einem Segmentbereich einem Ge­ windegang der Spindel tangential unter Bildung eines Kraft­ einleitungsbereiches zwischen Gewindegang, Kugeln und Spin­ delmutter annähert.

Durch diese Ausbildung wird erreicht, daß die Kugeln einen konstanten Geschwindigkeitsvektor besitzen, was zu höherer Laufruhe und geringerem Verschleiß des Systems führt. Durch die erfindungsgemäße Krafteinleitung ist außerdem ge­ währleistet, daß die Spindelmutter einen minimalen Bauraum in axialer Richtung aufweist.

In Weiterbildung der Erfindung ist es besonders vorteil­ haft, an dem Krafteinleitungsbereich in der Spindelmutter einen Trageinsatz auswechselbar anzuordnen, so daß sich die Kugellaufbahnen an diesem Trageinsatz unabhängig von der Spindelmutter mit besonders hoher Präzision und Güte einfach herstellen lassen.

Außerdem empfiehlt es sich, den Trageinsatz mittels An­ drückelementen in Richtung auf die Kugeln zu beaufschla­ gen, derart, daß sich Toleranzen der Spindel durch geeigne­ te Vorspannung und Beweglichkeit des Trageinsatzes ausglei­ chen lassen.

Besonders vorteilhaft ist es schließlich, mehrere Kugel­ rückführbahnen mit in gleichen Winkelabständen zueinander angeordneten Krafteinleitungsbereichen in der Spindelmut­ ter auszubilden, insbesondere drei Kugelrückführbahnen vor­ zusehen, deren Krafteinleitungsbereiche in einer zur Spin­ delachse senkrechten Ebene liegen. Dadurch ergibt sich eine besonders günstige Krafteinleitung, derart, daß sich hohe Verfahrgeschwindigkeiten bei unterkritischen Drehzah­ len erzielen lassen.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 in schematisch vereinfachter Darstellung eine Sei­ tenansicht einer Kugelumlaufspindel gemäß der Er­ findung mit einer Kugelrückführbahn,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie I-I der Fig. 1,

Fig. 3 eine Fig. 1 ähnliche Seitenansicht einer Kugelum­ laufspindel mit schematisch angedeuteten drei Ku­ gelrückführbahnen und in

Fig. 4 einen ohne Schraffierung wiedergegebenen Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 3 mit nur schema­ tisch angegebenen Kugelrückführbahnen.

Bei dem in den Fig. 1 und 2 wiedergegebenen vereinfachten Ausführungsbeispiel ist in einer eine Spindel 1 umgebenden Gewindemutter 2 eine kreisförmige, exzentrisch und pa­ rallel zu Spindelgewindegängen 7 angeordnete Kugelrückführ­ bahn 3 ausgebildet, wobei sich die Kugelrückführbahn in einem Bereich einem Gewindegang 7 der Spindel tangential unter Bildung eines Krafteinleitungsbereiches annähert.

Im Bereich dieses Krafteinleitungsbereiches ist in der Spindelmutter 2 ein Trageinsatz 4 auswechselbar angeord­ net, d. h. derart, daß die Kugellaufbahn im Krafteinlei­ tungsbereich in dem Trageinsatz 4 ausgebildet ist und dem­ entsprechend unabhängig von der Spindelmutter in besonders einfacher Weise mit hoher Qualität herstellbar ist.

Im Trageinsatz 4 sind Andrückfedern 5 vorgesehen, welche den im Trageinsatz befindlichen Teil der Kugelrückführbahn radial einwärts vorspannen, so daß sich Toleranzen der Spindel durch geeignete Vorspannung und Beweglichkeit des Einsatzes ausgleichen lassen.

Die Exzentrizität der Kugelrückführbahn ist mit 6 in Fig. 2 angedeutet.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 3 und 4 sind in einer Spindelmutter 2 a drei Kugelrückführbahnen 3 a ausge­ bildet und nur strichpunktiert schematisch wiedergegeben. Grundsätzlich entspricht jede Kugelrückführbahn 3 a einer solchen, wie diese in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Je­ der Kugelrückführbahn 3 a ist ferner wieder ein Trageinsatz 4 a im Krafteinleitungsbereich zugeordnet, wobei jeder Trag­ einsatz 4 a in nicht näher dargestellter Weise wieder mit Andrückfedern ausgerüstet sein kann. Die Anordnung ist der­ art, daß die Krafteinleitungsbereiche bzw. Trageinsätze 4 a mit gleichen Winkelabständen in einer zur Spindelachse senkrechten Ebene angeordnet sind.

Wie erkennbar ist, ist bei dieser Ausführungsform die Krafteinleitung besonders günstig, so daß relativ hohe Steigungen der Gewindegänge der Spindel fertigungstech­ nisch möglich sind, d. h. größer einem Verhältnis von Spin­ deldurchmesser zu Steigung (d/h) von 1 : 1. Die Spindelmut­ ter ist dabei radial festgelegt und erfordert nur einen minimalen Bauraum in axialer Richtung. Alle Kugeln besit­ zen einen konstanten Geschwindigkeitsvektor, was zu hoher Laufruhe und geringem Verschleiß des Systems führt.

Natürlich sind die beschriebenen Ausführungsbeispiele in vielfacher Weise abzuändern, ohne den Grundgedanken der Er­ findung zu verlassen. So könnten z. B. in einer Gewindemut­ ter Kugelrückführbahnen mit Krafteinleitungsbereichen ange­ ordnet sein, die axialen Abstand voneinander aufweisen, wo­ bei jeweils Krafteinleitungsbereiche von mehreren Kugel­ rückführbahnen in einer zur Spindelachse senkrechten Ebene liegen könnten, so wie dies beim Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 3 und 4 wiedergegeben ist, wenn es auf eine beson­ ders stabile Konstruktion mit hohen Krafteinleitungen an­ kommt und die axiale Baulänge nicht besonders kritisch ist. Auch zwei Kugelrückführbahnen mit sich diametral ge­ genüberliegenden Krafteinleitungsbereichen können wegen ihrer einfacheren Fertigung in vielen Fällen ausreichend sein, weil die segmentförmigen Krafteinleitungsbereiche für entsprechend gute Abstützung bzw. Führung zwischen Spindel und Spindelmutter sorgen. Anstelle von Andrückfe­ dern können auch andere Andrückelemente zur Beaufschlagung des Trageinsatzes in Richtung der Kugeln Verwendung fin­ den, z. B. könnten nachstellbare Schrauben verwendet werden u. dgl. mehr.

Claims (5)

1. Kugelumlaufspindel, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Spindelmutter (2) mindestens eine kreisförmi­ ge, exzentrisch und parallel zu den Spindelgewindegängen (7) angeordnete Kugelrückführbahn (3) ausgebildet ist, wel­ che sich in einem Segmentbereich einem Gewindegang (7) der Spindel (1) tangential unter Bildung eines Krafteinlei­ tungsbereiches zwischen Gewindegang (7), Kugeln und Spin­ delmutter (2) annähert.

2. Kugelumlaufspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Krafteinleitungsbereich in der Spindelmutter (2) ein Trageinsatz (4) auswechselbar angeordnet ist.

3. Kugelumlaufspindel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Trageinsatz (4) mittels Andrückelementen (5) in Richtung auf die Kugeln beaufschlagt ist.

4. Kugelumlaufspindel nach Anspruch 1 oder einem der folgen­ den, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kugelrückführbahnen (3 a) mit in gleichen Win­ kelabständen zueinander angeordneten Krafteinleitungsberei­ chen in der Spindelmutter (2 a) ausgebildet sind.

5. Kugelumlaufspindel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß drei Kugelrückführbahnen (3) vorgesehen sind, deren Krafteinleitungsbereiche in einer zur Spindelachse senk­ rechten Ebene liegen.