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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kugelspindel zum Transformieren
einer Rotationsbewegung in eine Linearbewegung oder zum Transformieren
einer Linearbewegung in eine Rotationsbewegung.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Eine
Kugelspindel umfasst: eine Spindelwelle mit einer spiralförmigen Kugelrollnut,
die in deren äußerer Umfangsoberfläche gebildet
ist, eine Kugelmutter mit einer spiralförmigen Kugelrollnut, die in dessen
innerer Umfangsoberfläche
in Übereinstimmung
mit der spiralförmigen
Kugelrollnut der Spindelwelle gebildet ist, und eine große Anzahl
an Kugeln, die in einem spiralförmigen
Raum angeordnet sind, der durch die zwei spiralförmigen Kugelrollnuten gebildet
ist, so dass es diesen möglich
ist zu rollen.
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Wenn
die Spindelwelle und die Kugelmutter relativ zueinander rotiert
werden, bewegen sich die Spindelwelle und die Kugelmutter spiralförmig, reibungslos
und genau relativ zueinander durch das Rollen der großen Anzahl
an Kugeln, während
die Kugeln in einem Kugelumlaufweg zirkulieren, der in der Kugelmutter
bereitgestellt ist.
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Die
Kugelrollnuten sind im Allgemeinen durch Fertigen mittels Gewindeschleifen
gebildet. Der Gewindeschleifvorgang weist eine Tendenz auf, einen
periodischen Maschinenfehler (Welligkeit) in einer gefertigten Oberfläche aufgrund
des Wirbelns eines Schleifsteins im Vergleich mit einem zylindrischen
Schleifen oder einem kreisförmigen
Nutvorgang zu erhöhen.
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Wenn
der Abstand zwischen Welligkeitsmaxima an jeder Kugelrollnut 1 nicht
mit dem Abstand zwischen den Lastkugeln 2 zusammenfällt, wie
in 5A dargestellt, kann der Einfluss eines Maschinenfehlers
auf eine Relativbewegung jedoch durch einen Fehlermittelungseffekt
unterdrückt
werden, unabhängig
von einem mehr oder weniger großen
maschinellen Fehler an jeder Kugelrollnut 1, da die große Anzahl
an Lastkugeln 2 die Last trägt, welche auf die Kugelspindel
aufgebracht wird.
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Wenn
der Abstand zwischen Welligkeitsmaxima an jeder Kugelrollnut 1 mit
dem Abstand zwischen den Lastkugeln 2 zusammenfällt (oder
einem Wert, der erhalten wird durch Dividieren des Abstandes durch
ein Ganzzahliges), wie in 5B gezeigt, hebt
sich der Mittelungseffekt jedoch auf, so dass die Relativbewegung
direkt beeinflusst ist durch den mehr oder weniger großen Maschinenfehler
(Welligkeit) an der Kugelrollnut 1. Deshalb besteht ein
Problem darin, dass der Maschinenfehler das Auftreten von Vibrationen
oder Lärm
verursachen kann.
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Es
ist deshalb erforderlich, die Kugelrollnut 1 in der Kugelspindel
genau zu fertigen, um den Fertigungsfehler (Welligkeit) ausreichend
klein zu gestalten. Jedoch besteht ein Problem darin, dass dieses einen
großen
Einfluss auf die Produktivität
und die Produktionskosten hat.
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Um
die zuvor aufgeführten
Vibration- und Lärmprobleme
zu lösen,
schlägt
die
JP 61153051 vor,
ein Rollenlager mit einer Gruppe von rollenden Kugeln mit unterschiedlichen
Durchmessern zu betreiben und sukzessive die Art der Kugeln zum
Tragen der Last zu erhöhen,
wenn die Last, die auf die Kugelspindel aufgebracht wird, erhöht wird.
Jedoch ist diese Lösung
nicht sehr erfolgreich aufgrund ihrer Abhängigkeit von zukünftigen
Werten der Last, die auf das Rollenlager aufgebracht wird.
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Eine
Kugelspindel gemäß dem Oberbegriff von
Anspruch 1 ist aus der
US 5,782,563 bekannt. Um
Vibrationen zu reduzieren, schlägt
dieses Dokument vor, die Rolloberfläche einer Rolllagerungseinheit
mit Welligkeiten zu versehen, die Wellenkomponenten pro Umfang aufweist,
so dass der Gesamtwert der Wellenkomponenten pro Umfang, der gerade
Anzahlen bis zu 10 Wellen pro Umfang umfasst, geringer ist als der
Gesamtwert der Wellenkomponenten pro Umfang, der ungerade Anzahlen
bis zu 9 Wellen pro Umfang umfasst, vorausgesetzt dass der Gesamtwert
die Summe des Quadrates der Spitzenamplitude der Wellenkomponenten
pro Umfang ist. Diese Berechnung erscheint ziemlich kompliziert und
es mag zweifelhaft sein, ob die vorgeschlagenen Erfordernisse mit
ausreichender Genauigkeit in dem Schleifprozess erreicht werden
können.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bekannten Kugelspindeln
in Bezug auf eine Reduktion hinsichtlich Vibration und Lärm zu verbessern,
wobei zur gleichen Zeit negative Einflüsse auf die Produktivität und Produktionskosten
minimiert werden.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Kugelspindel mit den Merkmalen von Anspruch
1 gelöst.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Zieht
man die Tatsache in Betracht, dass der Mittelungseffekt aufgehoben
wird, wenn der Abstand zwischen Welligkeitsmaxima an jeder Kugelrollnut mit
dem Abstand zwischen Lastkugeln zusammenfällt (oder einem Wert, der erhalten
wird durch Dividieren des Abstandes durch ein Ganzzahliges), ist
es eine Aufgabe der Erfindung eine Kugelspindel zu schaffen, in
welcher das Problem von Vibrationen und Lärm durch Erfüllen des
Mittelungseffekts der Kugelspindel gelöst werden kann, ohne einen
Einfluss auf die Produktivität
und Produktionskosten zu geben.
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Um
diese Aufgabe zu lösen
ist gemäß einem ersten
Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Kugelspindel geschaffen mit:
einer Spindelwelle mit einer spiralförmigen Kugelrollnut auf einer äußeren Umfangsoberfläche, einer
Kugelmutter mit einer zur Kugelrollnut der Spindelwelle korrespondierenden Kugelrollnut
auf einer inneren Umfangsoberfläche und
einer großen
Anzahl von Kugeln, die frei rollbar zwischen die Kugelrollnut der
Kugelmutter und die Kugelrollnut der Spindelwelle eingesetzt sind,
wobei die Kugelrollnut der Spindelwelle und/oder die Kugelrollnut
der Kugelmutter so geschliffen ist, dass eine Maximalkomponente
einer Anzahl von Welligkeitsmaxima pro Steigung in der Kugelrollnut
außerhalb eines
bei einem ganzzahligen Vielfachen nm einer Anzahl m von Lastkugeln
pro Steigung zentrierten Bereich von 0,95 nm bis 1,05 nm liegt,
berechnet durch einen Ausdruck
wobei P der Abstand zwischen
den Zentren zweier benachbarter Lastkugeln ist, die in im Wesentlichen gleichen
Intervallen in der Kugelrollnut vorhanden sind, wobei d
m ein
Kugeldurchmesser ist, und wobei L eine Gewindesteigung ist.
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In
der Kugelspindel, wie beschrieben in dem ersten Aspekt, wird gemäß einem
zweiten Aspekt das Schleifen der Kugelrollnut in solch einer Weise ausgeführt, dass
das Verhältnis
einer Rotationsgeschwindigkeit NG eines
Schleifsteins in Bezug zu einer Rotationsgeschwindigkeit NW eines Werkstücks so gewählt ist, dass die Maximalkomponente
der Anzahl von Welligkeitsmaxima pro Steigung in der Kugelrollnut
außerhalb
eines bei einem ganzzahligen Vielfachen nm der Anzahl m von Lastkugeln
pro Steigung zentrierten Bereichs von 0,95 nm bis 1,05 nm liegt.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Kugelspindel
geschaffen mit: einer Spindelwelle mit einer spiralförmigen Kugelrollnut
an einer äußeren Umfangsoberfläche, eine
Kugelmutter mit einer Kugelrollnut korrespondierend zu der Kugelrollnut
der Spindelwelle an einer inneren Umfangsoberfläche, eine große Anzahl
an Kugeln, die zwischen der Kugelrollnut der Kugelmutter und der
Kugelrollnut der Spindelwelle angeordnet sind, um so frei zu rollen,
und Abstandselemente, die zwischen den Kugeln angeordnet sind, wobei
die Kugelrollnut der Spindelwelle und/oder die Kugelrollnut der Kugelmutter
so geschliffen ist, dass eine Maximalkomponente einer Anzahl an
Welligkeitsmaxima pro Steigung in der Kugelrollnut außerhalb
eines Bereichs von 0,95 nm bis 1,05 nm, zentriert an einem ganzzahligen
Vielfachen nm einer Anzahl m von Lastkugeln pro Steigung, liegt,
berechnet durch einen Ausdruck:
wobei P ein Abstand zwischen
den Zentren benachbarter Lastkugeln, die in der Kugelrollnut angeordnet sind,
ist, so dass jedes Abstandselement zwischen den benachbarten Lastkugeln
sandwichartig eingefasst ist, wobei d
m ein
Kugeldurchmesser ist und L eine Steigung ist.
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Gemäß dieser
Konfiguration ist die Fertigungsbedingung zum Fertigstellen der
Kugelrollnut von entweder der Spindelwelle und/oder der Kugelmutter
gesteuert, die Anzahl an Welligkeitsmaxima auszuwählen, die
hergestellt sind durch das Fertigen, so dass der Abstand zwischen
den Welligkeitsmaxima nicht zusammenfallend mit dem Abstand zwischen
den Lastkugeln (oder einem Wert, der erhalten wird durch Dividieren
des Abstands durch ein Ganzzahliges) eingestellt ist, bestimmt zu
einem Vorteil für den
Aufbau. Zusätzlich
ist der Mittelungseffekt der Kugelspindel erfüllt, so dass sowohl Vibrationen
als auch Lärm
reduziert werden können,
ohne einen Einfluss auf die Produktivität und die Produktionskosten zu
haben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1A ist
eine Seitenansicht einer Spindelwelle einer Kugelspindel, welche
ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeigt,
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1B ist
eine Seitenansicht, welche einen Zusammenbauzustand einer Kugelrollnut
in diesem Ausführungsbeispiel
zeigt,
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2A ist
ein Graph, welcher ein Messergebnis der Kugelrollnut in der Kugelspindel
zeigt,
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2B ist
ein Graph, welcher die Anzahl von Welligkeitsmaxima pro Steigung
zeigt,
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3 ist
eine Seitenansicht, welche einen Zustand einer 1-zu-1 Korrespondenzanordnung
von Lastkugeln und Abstandskugeln zeigt, jede mit einem im Wesentlichen
gleichen Durchmesser zu dem Lastkugeldurchmesser in diesem Ausführungsbeispiel,
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4 ist
eine Seitenansicht, welche einen Zusammenbauzustand von Lastkugeln
und Abstandselementen zeigt, wobei jedes eine konkave Oberfläche aufweist,
welche zu den Kugeln weist und jede angeordnet ist zwischen benachbarten
Lastkugeln in diesem Ausführungsbeispiel,
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5A ist
eine Seitenansicht, welche einen Zustand zeigt, in welchem der Abstand
von Welligkeitsmaxima an der Kugelrollnut nicht zusammenfällt mit
dem Abstand zwischen den Lastkugeln, und
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5B ist
eine Seitenansicht, welche einen Zustand zeigt, in welchem der Abstand
der Welligkeitsmaxima an der Kugelrollnut zusammenfällt mit dem
Abstand zwischen den Lastkugeln.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird unten in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
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Wenn
eine spiralförmige
Kugelrollnut 12 an einer äußeren Umfangsoberfläche einer
Spindelwelle 11 einer Kugelspindel mittels eines Gewindeschleifvorgangs
gebildet ist, wie in 1A und 1B gezeigt,
wird das Wirbeln eines Schleifsteins transferiert auf die Zieloberfläche, die
maschinell erstellt werden soll, so dass ein Klappern in Welligkeitsmaxima
der Anzahl, welche erhalten wird durch Teilen der Rotationsgeschwindigkeit
NG des Schleifsteins durch die Rotationsgeschwindigkeit
NW des Werkstücks, notwendigerweise auftritt
bei einer Rotation des Werkstücks,
wie in 2A und 2B dargestellt.
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Nun
vorausgesetzt, dass die Rotationsgeschwindigkeit NG des
Schleifsteins und die Rotationsgeschwindigkeit NW des
Werkstücks
1300 Umdrehungen pro Minute bzw. 20 Umdrehungen pro Minute betragen,
dann werden 65 Welligkeitsmaxima pro Steigung in der Kugelrollnut 12 erzeugt.
Es besteht eine Grenze hinsichtlich des Handhabens ein Klappern
der Welligkeitskomponenten ökonomisch
klein zu halten.
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In
der Erfindung wird die Relation zwischen der Rotationsgeschwindigkeit
NG des Schleifsteins und der Rotationsgeschwindigkeit
NW des Werkstücks zu dem Zeitpunkt des fertiggestellten
maschinellen Herstellens gesteuert, um dadurch den Abstand zwischen
den Klapperspitzen zu steuern, so dass der Abstand zwischen den
Welligkeitsmaxima eingestellt ist, nicht mit dem Abstand zwischen
den Lastkugeln 13 zusammen zu fallen (oder einem Wert, der
erhalten wird durch Dividieren des Abstandes zu einen Ganzzahligen).
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D.
h., die Kugelrollnut
12 ist so geschliffen, dass eine Maximalkomponente
der Anzahl an Welligkeitsmaxima pro Steigung in der Kugelrollnut
nicht in einem Bereich von 0,95 nm bis 1,05 nm liegt, zentriert
um ein ganzzahliges Vielfaches nm der Anzahl m von Lastkugeln pro
Steigungen, berechnet durch den Ausdruck:
wobei P der Abstand zwischen
den Zentren von benachbarten Lastkugeln
13 ist, die angeordnet
sind in im Wesentlichen gleichen Abständen in der Kugelrollnut
12,
d
m ein Kugeldurchmesser ist und L eine Steigung
ist.
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Insbesondere
wird das Schleifen der Kugelrollnut in solch einer Weise durchgeführt, dass
das Verhältnis
der Rotationsgeschwindigkeit NG des Schleifsteins
zu der Rotationsgeschwindigkeit NW des Werkstücks so ausgewählt ist,
dass eine Maximalkomponente der Anzahl an Welligkeitsmaxima pro
Steigung in der Kugelrollnut 12 nicht in einem Bereich
von 0,95 nm bis 1,05 nm liegt, zentriert um ein ganzzahliges Vielfaches
nm der Anzahl m von Lastkugeln pro Steigung.
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In
der allgemeinen Beschreibung, dass alle Kugeln, die verwendet werden,
Lastkugeln 13 sind, ist der Abstand zwischen den Lastkugeln 13 (der
Abstand P zwischen den Zentren von benachbarten Lastkugeln 13)
im Wesentlichen gleich zu dem Durchmesser jeder Kugel. In der Beschreibung,
dass Lastkugeln 13 und Abstandskugeln 14 jeweils
einen Durchmesser aufweisen, der im Wesentlichen gleich ist zu dem
der Lastkugeln 13, die verwendet werden in einer 1-zu-1
Korrespondenz, wie dargestellt in 3, ist der
Abstand P im Wesentlichen das Doppelte des Kugeldurchmessers. In
der Beschreibung des Abstandelements, dass ein Abstandelement 5 mit
konkaven Oberflächen 15a,
welche zu den Lastkugeln 13 weisen, zwischen benachbarten
Lastkugeln 13 angeordnet ist, wie in 4,
ist der Abstand P der Abstand zwischen den Zentren von benachbarten
Kugeln zwischen welchen die Abstandelemente 5 sandwichartig
angeordnet sind.
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Obwohl
dieses Ausführungsbeispiel
für den Fall
beschrieben wurde, in welchem die Kugelrollnut bereitgestellt ist
als eine Kugelrollnut in der Spindelwelle, kann die Erfindung auch
angewendet werden auf die Kugelrollnut, die an der inneren Umfangsoberfläche der
Kugelmutter ausgebildet ist.
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Wie
zuvor beschrieben, ist gemäß der Erfindung
die Bedingung zum maschinellen Fertigen zum Fertigstellen der Kugelrollnut
von zumindest der Spindelwelle und/oder der Kugelmutter so gesteuert, dass
der Abstand zwischen Welligkeitsmaxima in der Kugelrollnut nicht
mit dem Abstand zwischen den Lastkugeln zusammenfällt. Deshalb
ist der Mittelungseffekt der Kugelspindel erfüllt. Deshalb besteht ein Effekt,
dass sowohl Vibration als auch Lärm
verringert werden kann ohne einen Einfluss auf die Produktivität und Produktionskosten
zu geben.
