EP4669874A1

EP4669874A1 - Kompakte rollenlagereinheit mit direktantrieb für rundtische mit hochgenauen plan-/rundlauf und verfahren zur regelung der rundlaufgenauigkeit

Info

Publication number: EP4669874A1
Application number: EP24731458.6A
Authority: EP
Inventors: Ullrich GÄBEL
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2023-02-24
Filing date: 2024-02-16
Publication date: 2025-12-31
Also published as: DE102023104623A1; WO2024175152A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rollenlagereinheit mit Direktantrieb für Rundtische mit hochgenauen Plan-/Rundlauf und ein Verfahren zur Regelung der Rundlaufgenauigkeit. Aufgabe ist es eine Rollenlagereinheit mit Direktantrieb für Rundtische mit hochgenauen Plan-/Rundlauf und ein Verfahren zur Überwachung und Regelung der Rundlaufgenauigkeit in Echtzeit zu schaffen, welche eine Verstellbewegung zur Erhöhung der Rundlaufgenauigkeit der Abtriebswelle ermöglicht und, eine neuartige Mikromechanik realisiert. Erfindungsgemäß ist am Wellenende (5) einer Welle (4) ein mehrdimensionales Hochgenauigkeitsmesssystem (9) angeordnet. Dieses Hochgenauigkeitsmesssystem (9) ermöglicht wahlweise in Echtzeit oder getaktet präzise das Messen der Rundlaufabweichung der Welle (4). An einer Motorgehäusescheibe (25) ist ein als ein weiteres Messsystem ein Kurvenringmesssystem (11) angeordnet, welches die Verstellung eines speziell ausgebildeten Kurvenringes (8) misst und anzeigt. Der Kurvenring (8) ist mit einem Kurvenringmotor (21) verbunden, welcher diesen von außen steuern und verdrehen kann, so dass er unter ständiger Auswertung der Messergebnisse, welche durch das Kurvenringmesssystem (11) ermittelt und angezeigt werden, adaptiv, zeitaktuell definiert verstellt werden kann und eine genau definierbare Kippbewegung der Welle (4) im Axiallagerbereich erzeugt.

Description

Kompakte Rollenlagereinheit mit Direktantrieb für Rundtische mit hochgenauen

Plan-/Rundlauf und Verfahren zur Regelung der Rundlaufgenauigkeit

Die Erfindung betrifft eine kompakte Rollenlagereinheit mit Direktantrieb für Rundtische mit hochgenauen Plan-/Rundlauf mit zentrischer Führung der Zylinderrollen und hochgenauer Ausrichtung der Zylinderrollen für Fertigungsgenauigkeiten im Nanometerbereich und ein Verfahren zur Regelung der Rundlaufgenauigkeit.

Solcherart Axial - Radialrollenlager für hochgenaue Rundtische werden benötigt zu einer sehr präzisen und achszentrierten Lagerung von Direktantrieben mit fliegend gelagerten Rotoren, deren Abtriebswelle kaum Pulsationen oder thermische Drift im Nanometerbereich erzeugen dürfen. Insbesondere für neuartige Sensorik und Aktorik im Zusammenhang mit klein bauenden Computern, wie zum Beispiel für Linsenschleifmaschinen in der optischen Industrie oder als Winkelmesstische in der Metrologie eröffnen sich neue Anwendungen. Die Anforderungen an eine weitere Verkleinerung der allgemeinen Aktorik und Sensorik steigern sich in gleicher Weise. Mit zunehmender Miniaturisierung von Fertigungsteilen reduziert sich auch die Fertigungstoleranz vom Mikrometerbereich zunehmend in den Nanometerbereich. Neben den absoluten Fertigungsgenauigkeiten steigern sich auch die Form - und Lagegenauigkeiten beispielsweise von Miniaturbauteilen. Die Herstelltechnologien in der Mechanik unterliegen deshalb in Zukunft einem sehr hohen Genauigkeitsanspruch. Genauigkeiten im Submikrometerbereich bei dreidimensionalen Bauteilen können teilweise nur noch mit 5 - Achsigen Bearbeitungszentren realisiert werden. So sind Oberflächenrauheiten von Ra = 0,02pm in der Regel nur mit speziellen spanenden Herstellverfahren wie Schleifen, Drehen und Fräsen wirtschaftlich realisierbar. Deshalb werden an die mehrachsigen Werkzeugmaschinen höchste Anforderungen an Steifigkeit, Genauigkeit und Temperaturstabilität gestellt. Die eingesetzten Rundachsen mit Wälzlagern ersetzen dabei hydrostatische Rundachsen. Stellschritte von 0,02 ( 20 Nanometer ) in den einzelnen Achsen werden erforderlich um die geforderten Ziele zu erreichen. Mit neuen mehrdimensionalen Winkelmesssystemen besteht die Möglichkeit neben der Drehbewegung auch die Kippbewegung der Achse eines Rundtisches im Nanometerbereich zu erfassen.

Bekannte Rundtischlager sind als achssymmetrische Lager mit Laufringen für die

Zylinderrollen aufgebaut. In der technischen Lösung gemäß der DE 10 2008 017 457 Al ist ein entsprechendes Axial - Radialrollenlager für Rundtische beschrieben. Es ist aufgebaut aus einem Innenringteil, welches den eigentlichen Rundtisch trägt und mit diesen verbunden ist. Das zugehörige Außenringteil ist mit einem Grundgestell verbunden und mit einem axial wirkenden Dämpfungselement gekoppelt. Die Dämpfung wirkt nur in einer Lastrichtung. Das Innenringteil ist im Querschnitt U-förmig ausgebildet. Das Außenringteil greift in das Innenringteil ein und stützt sich beidseitig über jeweils ein Axiallager ab. Sowohl Innenringteil als auch Außenringteil sind beide über ein Radiallager in radialer Richtung drehgelagert. Das Axial- und das Radiallager selbst sind dabei als Zylinderrollenlager ausgebildet. Diese Lageranordnung soll sowohl die angreifenden Axial- und Radiallasten als auch die jeweilig anliegenden Kippmomente aufnehmen. Obwohl beide Lager spielfrei und definiert vorgespannt sind, sind sie für hochgenaue Rundtische im Nanometerbereich nur bedingt geeignet. Die Einbauteile, wie Welle und Gehäuse beeinflussen die Genauigkeit und Steifigkeit des Lagers im Nanometerbereich. Es entstehen Fügestellen und Verschraubungsebenen, die sich alle zusammen negativ auf den Planlauf und die Rechtwinkligkeit des Lagers auswirken. Im Betrieb ändert sich deshalb die Laufgenauigkeit des Lagers, d. h. der Rund - und Planlauf, sowie die Taumelbewegung der Abtriebswelle nimmt zu. Bei längerer Betriebsdauer mit höheren Drehzahlen, insbesondere bei Betrieb mit einem Direktantrieb wird das thermische Verhalten des Axial - Radiallagers entscheidend für dessen Laufgenauigkeit. Durch die unterschiedliche Erwärmung des Innenringes und des Außenringes werden die radialen und axialen Laufflächen unterschiedlich verändert. Infolge der thermisch bedingten unterschiedlichen Ausdehnung ändert sich auch die Vorspannung undefinierbar. Diese sich ändernde Vorspannung führt zur Welligkeit der axialen Laufflächen im Nanometerbereich und zur Laufpulsation der Zylinderrollen, im Extremfall sogar zum frühzeitigen Lagerausfall. Zwar kann das thermische Verhalten verbessert werden, indem zum Beispiel eine effektive Ölumlaufkühlung eingesetzt wird, aber dies ist mit erheblichem zusätzlichem Aufwand verbunden. Außerdem leiden dadurch die Einsatzmöglichkeiten solcherart Lager.

Es gibt auch weitere technische Lösungen für hochgenaue Rundtischlager, welche aus zwei kombinierten Axialschrägkugellagern bestehen. Hier sind am Innenring und am Außenring entsprechende Laufbahngeometrien angeordnet, auf denen die Kugeln abrollen und die jeweils einen Druckwinkel von 60° aufweisen. Diese Art Wälzlager haben zwar den Vorteil, dass sie höher vorgespannt werden können und im Erwärmungsfall zu geringeren Ausdehnungen der beiden Lagerringe führen. Insgesamt besitzen solche Lager allerdings eine geringere Axial/Radialsteifigkeit und daraus folgend auch eine geringere Kippsteifigkeit. Für hochgenaue Rundtischlager im Nanometerbereich sind sie deshalb ebenfalls nicht hinreichend geeignet. Der mögliche Einlauf der Wälzkörper in die Kugelbahnen kann zu einem Vorspannungsverlust und einer Genauigkeitsreduzierung fuhren. Im allgemeinem sind derartige Kugellager nicht crashsicher und für den Einsatz im Nanometerbereich daher nicht geeignet. Durch die fehlende Crashsicherheit und die eingeschränkte Lebensdauer sind kugelgelagerte Rundtischlager nur bedingt verfügbar.

Aus der DE 10 2012 221 725 Al ist ein weiteres Rundtischlager bekannt, bei dem das Innenringteil und das Außenringteil über zwei sich im Druckwinkel unterscheidende Wälzlager gelagert sind. Hierbei handelt es sich in der Regel um ein Axialrollenlager und ein Schrägkontaktlager. Dabei ist das Axiallager bevorzugt als Zylinderrollenlager ausgeführt. Der Vorteil dieser Bauweise besteht darin, dass eine etwaige Durchmesserveränderung des Innenringes und des Außenringes, insbesondere bedingt durch eine unterschiedliche Erwärmung beider Bauteile nicht unmittelbar eine identische Vorspannungsänderung bewirkt. Allerdings ist auch diese Bauweise für die gewünschte Hochgenauigkeit im Nanometerbereich nicht geeignet. Die einzelnen Lageringe und Fügestellen schwächen den Lagerverbund. Sie erzeugen Nachgiebigkeiten und Welligkeiten der Lageringe an den Verschraubungsstellen und sind damit für den Einsatz im Nanometerbereich in der Regel nicht geeignet. Die radialen Kugellaufbahnen dieser Rundtischlager sind im schmalen Kontaktbereich nicht dauerhaft crashsicher und schränken daher die Lebensdauer ein. Eine Fertigung der Kontaktradien der Kugellaufbahn im Nanometerbereich zur axialen Rollenlaufbahn mit axialer Bordführung begrenzt momentane Fertigungsmöglichkeiten im Nanometerbereich erheblich. Das beschriebene Rundtischlager aus Rollen und Kugellaufbahn erfüllt deshalb nur Einsatzbereiche im Mikrometerbereich innerhalb weniger Tausendstel Millimeter.

In der DE 10 2012 206 667 B4 ist ein Axial-Radiallager offenbart, bei dem ein zweiseitig wirkendes Axiallager und ein radiales Führungslager zur Lagerung einer direkt angetrieben Achse eines Maschinentisches, insbesondere einer Werkzeugmaschine beschrieben sind. Dabei ist ein zweigeteilter Innenring gegenüber einem drehbaren Außenring angeordnet und in dem Innenring sind radial verteilt zwei radial umlaufende Reihen von Bohrungen zur Befestigung des Innenringes auf einem Maschinentisch ausgebildet. Durch die vielfache in zwei umlaufenden Reihen direkt auf dem Maschinentisch erfolgende Verschraubung des Innenringes soll eine besonders hohe Axial- und Kippsteifigkeit erreicht werden. Allerdings ist diese Lagerausführung nicht für Lagerungen mit Genauigkeiten unterhalb einem Mikrometer geeignet.

In der DE 10 2006 028 972 Al ist eine Spindel einheit mit einer im Betrieb um Ihre Längsachse drehbar gelagerte, verstellbare Arbeitsspindel beschrieben. Über eine komplexe motorische Verstelleinheit wird die Arbeitsspindel im Betrieb gegenüber dem Lagergehäuse automatisch und ansteuerbar verstellt. Dazu ist in einer drehfest angeordneten Außenhülse eine lang bauende Innenhülse exzentrisch angeordnet und verdrehbar. Die Innenhülse kann auch gegenüber der Außenhülse rotieren. An der Innenhülse ist als eine Verlängerung ein Rohransatz angeordnet, über welchen die Verstellbewegung mittels eines innen in der Spindeleinheit angeordneten Stellmotors erzeugt wird. Des Weiteren ist eine zusätzliche Klemmvorrichtung angeordnet, durch welche die Innenhülse festgestellt werden kann, so dass diese sich nicht mehr gegenüber der Außenhülse bewegen kann. Zusätzlich ist zur Ermittlung der Verstellung ein geeignetes Winkelmesssystem angeordnet. In einer zweiten Ausführung ist zusätzlich eine Zwischenhülse ebenfalls exzentrisch angeordnet und verdrehbar. Diese Verstelleinrichtung dient zum Verstellen einer Arbeitsspindel einschließlich des daran angeordneten Werkzeuges bzw. zum Justieren der Arbeitsspindel relativ zu einer anderen Arbeitsspindel. Allerdings ist mit solch einem nicht gelagerten Exzenter keine Feineinstellung bis in den Nanometerbereich möglich. Zudem bedingt diese technische Lösung erhöhte Reibmomente während eines laufenden Betriebes. Sie ist deshalb nicht für eine hochgenaue Verstellung im Nanometerbereich geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein kompakte kurz bauende Rollenlagereinheit mit Direktantrieb für Rundtische mit hochgenauen Plan-/Rundlauf und ein Verfahren zur Überwachung und Regelung der Rundlaufgenauigkeit in Echtzeit zu schaffen, welche auch nach dem Einlaufen einer Rollenlagereinheit an dessen Rundachse eine Verstellbewegung zur Erhöhung der Rundlaufgenauigkeit und damit auch der Fertigungsgenauigkeit mit der gleichen Abtriebswelle ermöglicht, eine neuartige Mikromechanik bis hin zu Genauigkeiten wesentlich unterhalb von 50 nm realisiert, in einem definierten Drehzahlbereich eine exakte Führung bei minimalem Verschleiß ermöglicht, auch für konventionelle Werkzeugmaschinen einsetzbar ist und zudem materialsparende und energieökonomische Effekte erzeugt. Die Erfindung wird mit den Merkmalen des ersten und des neunten Patentanspruches gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den rückbezüglichen Unteransprüchen beschrieben. Die kompakte Rollenlagereinheit 1 ist mit einem Direktantrieb 2 zum Antrieb eines Rundtisches verbunden. Die Rollenlagereinheit 1 mit hochgenauen Plan-/Rundlauf im Nanometerbereich ist insbesondere zur Aufnahme von Axial - und Radiallasten ausgelegt. Erfindungsgemäß ist am Wellenende 5 einer Welle 4 an einer Messsystemscheibe 12 ein mehrdimensionales Hochgenauigkeitsmesssystem 9, bestehend aus mehreren radial verteilt angeordneten Hochgenauigkeitsmessköpfen und einem Wellenendmessring 10, welcher den Rundlauf des Wellenendes 5 in den Hochgenauigkeitsmessköpfen abbildet, angeordnet. Dieses mehrdimensionale Hochgenauigkeitsmesssystem 9 ermöglicht wahlweise in Echtzeit oder getaktet präzise das Messen der Rundlaufabweichung der Welle 4. Es kann Rundlaufabweichungen im Nanometerbereich erfassen und anzeigen. An einer Motorgehäusescheibe 25 ist als ein weiteres Messsystem ein Kurvenringmesssystem 11, bestehend aus mindestens einem Kurvenringmesskopf und einem Kurvenringmessring 24, angeordnet, welches die Verstellung eines speziell ausgebildeten, geschliffenen auf der Welle 4 gelagerten Kurvenringes 8 misst und anzeigt. Die Motorgehäusescheibe 25 ist mit einem Kurvenringmotor 21 verbunden, welcher den Kurvenring 8 von außen steuern und verdrehen kann. Der speziell geschliffene und verstellbare Kurvenring 8 ist innen in der Rollenlagereinheit 1 auf der Welle 4 über eine oder mehrere gestaffelt angeordnete radiale Zylinderrollenreihen 16 und außen über eine Zylinderrollenreihe 15, welche als Zylinderrollenreihen oder als Zylinderrollenreihenpaare ausgebildet sein können, direkt im Lagergehäuse 18 der Rollenlagereinheit 1 ohne Laufringe und im Lagergehäuse 18 gelagert und geführt. Der speziell geschliffene, drehbeweglich verstellbare Kurvenring 8 ist direkt mit einem Rotor 19 eines innen im Lagergehäuse 18 angeordneten Kurvenringmotors 21 verbunden, so dass er mittels des Kurvenringmotors 21 unter ständiger Auswertung der Messergebnisse, welche durch das Kurvenringmesssystem 11 ermittelt und angezeigt werden, definiert verstellt werden kann.

Der Kurvenring 8 kann in einer zweiten Ausführung zusätzlich noch mit einer gesonderten Verstelleinrichtung von außen manuell über eine oder mehrere Absteckbohrung(en) 23 mittels eines oder mehreren Ab steckstifte s(en) 27 verstellbar ausgebildet sein. Es ist auch eine Ausführung der erfindungsgemäßen kompakten Rollenlagereinheit 1 möglich, wo nur die manuelle Verstellung ausgebildet ist und kein Kurvenringmotor 21 angeordnet ist. Diese einfachere kostengünstige Variante ist allerdings nur für spezielle Einsatzfälle sinnvoll. Die radialen Zylinderrollenreihen 16 oder radialen Zylinderrollenreihenpaare 16 und die Zylinderrollenreihe für die Kurvenringaußenlagerung 15 sind jeweils mit unterschiedlich definierten Lagervorspannungen eingestellt, damit die Verstellbewegung der Welle 4 überhaupt eine genau definierte lineare hochpräzise Lagerbewegung über die Lagermitte der Welle 4 im Bearbeitungsraum ermöglicht.

Für spezielle Einsatzfälle der neuartigen kompakten Rollenlagereinheit 1 ist es möglich den Kurvenring 8 mit zwei komplementären Doppelkurven auszubilden. Er ist dann in dieser Ausbildung über zwei voneinander beabstandete Zylinderrollenreihen 15 im Lagergehäuse 18 gelagert. Durch die Doppelkurven kann ein spielfreies Verspannen erfolgen.

Der in der kompakten Rollenlagereinheit 1 verstellbare Kurvenring 8 ist so geschliffen, dass die Kurvenringradien 26 des Kurvenringes 8 gestaffelt einem Verlauf einer individuell angepassten archimedischen Spirale bis 180 Grad folgen. Die Kurvenringradien 26 können aber je nach Einsatzzweck individuell unterschiedlichen Kurven folgend zurückgeführt werden und entsprechend ausgebildet sein.

Von Vorteil ist es, wenn bei der kompakten Rollenlagereinheit die Lagervorspannung der radialen Zylinderrollenreihe(n) oder Zylinderrollenreihenpaare 15 für den Kurvenring 8 bis maximal 10 Mikrometer beträgt und innerhalb dieser Vorspannung der koaxiale Kurvenring 8 radial bewegbar ausgebildet ist.

Des Weiteren ist bei der kompakte Rollenlagereinheit 1 die Lagervorspannung der radialen Zylinderrollenreihen 16 oder Zylinderrollenreihenpaare 16 maximal mit einer halben Vorspannung zwischen 3 bis 5 Mikrometer eingestellt.

Es kann auch von Vorteil sein, dass bei der kompakte Rollenlagereinheit 1 der manuell oder motorisch verstellbare Kurvenring 8 im Nanometerbereich deformiert bzw. verspannt ausgebildet ist, um den Innendurchmesser des Kurvenringes in seiner Abweichung vom Kreis (Rundheit) zu verbessern ohne die Gesamtsteifigkeit wesentlich einzuschränken. In einer weiteren Variante kann der Kurvenring 8 bei der kompakte Rollenlagereinheit 1 am Innen - und Außendurchmesser mit einem gleichen koaxial ausgerichteten Kurvenverlauf zur Verstellung im Nanometer - oder Mikrometerbereich ausgebildet sein.

Durch diese Maßnahmen wird erst eine max. Verspannung von Kurvenring 8 gegenüber dem Lagergehäuse 18 erreicht Bei der Verstellung ist zu beachten, dass nur der Kurvenring 8 in bestimmten vorgegebenen Grenzen deformiert wird.

In der Regel ist es für eine hochpräzise Messung der Rundlaufabweichung der kompakten Rollenlagereinheit 1 ausreichend im mehrdimensionalen Hochgenauigkeitsmesssystem 9 vier Messköpfe verteilt anzuordnen. Es ist aber auch möglich bis zu 8 Messköpfe im mehrdimensionalen Hochgenauigkeitsmesssystem 9 anzuordnen, wobei dann auch zusätzlich auftretende Axialverstellungen des Wellenendes 5 gemessen, ausgewertet und im laufenden Betrieb berücksichtigt werden können.

Für einzelne Anwendungen kann das Verfahren zur Regelung der Rundlaufabweichung einer kompakten Rollenlagereinheit 1 sowohl motorisch als auch von Hand erfolgen, wenn der Kurvenring 8 sowohl mit der motorischen Verstellung mittels eines Kurvenringmotors 21 als auch mit der Verstellung über gleichzeitig angeordnete Ab Steckbohrungen 23 und mittels Ab steckstiften 27 ausgebildet ist.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird es erstmals möglich neben der Nachstellung der Genauigkeit auch die Lagervorspannung nach dem Einlaufen der kompakten Rollenlagereinheit 1 hochgenau nachzustellen. Bei der motorischen Kurvennachstellung wird die Genauigkeit verfahrensgemäß entweder permanent oder getaktet nachgestellt. Dies ist möglich, da sowohl die jeweilig von außen anliegende Radialbelastung als auch die mögliche Nachgiebigkeit der Rollenverspannung erstmals gemessen, ausgewertet und direkt in Echtzeit nachgestellt werden können. Bei der manuellen Nachstellung wird die händische Drehbewegung der Kurvenlaufbahn oder des Kurvenringes 8 direkt nachgestellt. Noch während der Nachstellung kann ebenfalls der Rundlauf visualisiert werden. Das mehrdimensionale Hochgenauigkeitsmesssystem 9 kann vor allem im Echtzeitbetrieb den Rundlauf in einer CNC - Steuerung visualisieren und regeln. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung gegenüber bekannten anderen von außen wirkenden Lagerverstellungen besteht darin, dass ein großes Verstellmoment unmittelbar am Wellenende 5 bis ca. 5000 Nm ausgeübt werden kann. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist es möglich die Welle 4 der Rundachse in ihren Axiallagem oder den an der Rollenlagereinheit 1 angeschlossenen Arbeitstisch wahlwiese sowohl im Mikrometerbereich als auch im Nanometerbereich genau kippen zu können, d. h. die Rundlaufeigenschaften erheblich zu verbessern. Dabei ist die Rundachse gleichzeitig als Messachse, welche ständig im Fertigungsprozess überwacht wird, ausgebildet. So wird die Abtriebswelle in einer Art Linearbewegung der Welle über die Achsenmitte verstellt und nachgeregelt, wobei eine Kippbewegung der Welle 4 im Axiallagerbereich erfolgt.

Im Prinzip ist es generell auch möglich zwei verstellbare Kurvenringe 8 vorzusehen. Diese aufwendige Lösung verbessert insgesamt die Steifigkeit der Rollenlagereinheit 1. Denselben Effet kann man auch erreichen, indem der Kurvenring 8 breiter dimensioniert wird. Ein breiterer Kurvenring 8 ist entsprechend über mehr Zylinderrollenreihen oder Zylinderrollenreihenpaaren zwischen dem Lagergehäuse 18 und dem Kurvenring 8 auf der Welle 4 gelagert. Ein koaxialer Kurvenring 8 mit harmonierender Innen - und Außenlaufbahn erhöht ebenfalls die Steifigkeit des Kurventriebes. Grundvoraussetzung ist dabei auch eine hohe Steifigkeit des Lagergehäuses 18.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung gegenüber bekannten anderen von außen wirkenden Lagerverstellungen besteht darin, dass ein geringes Verstellmoment des Kurvenringmotors 21 in der Rollenlagereinheit 1 sowohl einen breiten Verstellbereich als auch ein großes Verstellmoment unmittelbar am Wellenende 5 bis ca. 5000 Nm ermöglichen kann, d.h. ein minimales Verstellmoment erzeugt über die Kurvenauslegung und die Vorspannung der Lagerungen ein maximales Kippmoment der Abtriebswelle.

Die Erfindung soll nachstehend in einem Ausführungsbeispiel an Hand der Figuren 1 bis 3 näher beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt eine Rollenlagereinheit 1

Fig. 2 zeigt eine einfache Ausführung einer Rollenlagereinheit 1 mit manueller Verstellung Fig. 3 zeigt eine bevorzuge Kurvenausführung für den Kurvenring 8

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine Rollenlagereinheit im Bereich des Kurvenringes 8 Fig. 5 zeigt die Linearbewegung des Wellenendes mit zwei unterschiedlichen Motoren In der Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Rollenlagereinheit 1 gezeigt. Der Direktantrieb 2 für die Rollenlagereinheit 1 ist als Synchronmotor auf der Antriebswelle

17 innerhalb eines Motorgehäuses 3 angeordnet. Der Direktantrieb 2 ist am Lagergehäuse

18 geeignet (in der Regel verschraubt) befestigt. Um die Steifigkeit der Rollenlagereinheit 1 zu verbessern ist das Lagergehäuse 18 sehr massiv ausgebildet. Im Motorgehäuse ist für die axiale Lagerung der Welle 4 eine Axiallagerschulter 13 befestigt und stützt sich am Lagergehäuse 18 ab. Innerhalb dieser Axialrollen wird der Wellenbund 6 mit der Welle 4 gekippt. Es sind zwei axiale Zylinderrollenreihen 14 links und rechts des Wellenbundes 6 angeordnet, so dass die Welle 4 zwischen der Axiallagerschulter 13 und dem Lagergehäuse 18 gelagert ist. Zur radialen Lagerung der Welle 4 sind zwei Zylinderrollenreihen 16 angeordnet. Diese Zylinderrollenreihen 16 für die Wellenlagerung sind nur gering mit einer halben Vorspannung zwischen 3 bis 5 Mikrometer vorgespannt. Eine Zylinderrollenreihe 16 sitzt auf dem Wellenflansch 7 und wird seitlich durch die Bordführung 26 geführt. Das andere Zylinderrollenlager 16 ist auf der Oberfläche der Welle 4 angeordnet. Zur seitlichen Führung der Zylinderrollen sind die Rollen in einer umlaufenden Lagernut der Welle verteilt angeordnet. Auf diesem Rollenlager 16 ist ein speziell geschliffener, drehbarer Kurvenring 8 angeordnet und gelagert. Der Innenmantel des Kurvenringes 8 folgt einer speziellen Kurvengestaltung, wie in Figur 3 näher beschrieben. Der Außenmantel des Kurvenringes 18 ist mit einem koaxialen Kurvenverlauf zur inneren Kurve ausgebildet und stützt sich über eine oder mehrere hoch vorgespannte Zylinderrollenreihe(n) 15 im Lagergehäuse 18 ab. Diese Vorspannung beträgt bis 10 Mikrometer und innerhalb dieser Vorspannung ist der koaxiale Kurvenring 8 drehbar ausgebildet. Der Kurvenring 8 ist mit einem Rotor 19 eines innenangeordneten Kurvenringmotors 21 verbunden und wird über diesen bei Bedarf verdreht. Der Kurvenhub erfolgt dabei radial zur Lagerung. Der Stator 20 des Kurvenringmotors 21 ist mit dem Lagergehäuse 18 fest verbunden. Am Kurvenringmotor 21 ist eine Motorgehäusescheibe 25 angeordnet auf dem ein Kurvenringmesssystem 11 befestigt ist, welches die durch den Rotor und über den damit gekoppelte Kurvenringmessring 24 erzeugte Verstellbewegung misst und zur Auswertung bereitstellt. An der Motorgehäusescheibe 25 ist ein massiver Zwischenring 22 befestigt mit welchem der Lagergehäusering 12 fest verbunden ist. Auf dem Lagergehäuseaußenring 12 sind mehrere Messköpfe eines mehrdimensionalen Hochgenauigkeitsmesssystems 9 angeordnet. Die Abweichungen vom Rundlauf und die Wellenverlagerung der Welle 4 werden am Wellenende 5 über einen daran angeordneten Wellenendmessring 10 auf die Messköpfe übertragen, welche die Abweichungen messen und zur Auswertung bereitstellen. Die gemessenen Ergebnisse werden zeitaktuell adaptiv zur Ansteuerung des Kurvenringmotors 21 genutzt. Der Kurvenring 8 wird dabei radial bis maximal 180 Grad in die eine oder andere Richtung von einer Nullposition aus verdreht. Dadurch ist es möglich, die durch die eingetragenen Bearbeitungskräfte erfolgte Auslenkung der Welle 4 auszugleichen. Der als Synchronmotor ausgeführte Kurvenringmotor 21 ist so ausgebildet, dass sein Haltemoment, welches bei ca.95 % seines Nennmomentes liegt, ausreicht die Welle 4 in der gewünschten Lage zu halten.

In der Fig. 2 ist eine Rollenlagereinheit 1 in einfache Ausführung mit manueller Verstellung gezeigt. Durch die Welle 4 sind mehrere Ab Steckbohrungen 23 angeordnet. Durch diese Ab Steckbohrungen 23 werden Ab steckstifte 27 eingebracht mit deren Hilfe der Kurvenring 8 radial verstellt werden kann. Bei der Verstellung wird auch die Welle 4 mit verdreht. Der Kurvenring 8 wird gegenüber dem Lagergehäuse 18 entsprechend der jeweils eingebauten Kurvengestaltung in Abhängigkeit von den ermittelten Messwerten des mehrdimensionalen Hochgenauigkeitsmesssystems 9 in die eine oder andere Richtung bis maximal 180 Grad verdreht, wodurch die Rundlaufgenauigkeit erheblich verbessert werden kann. In dieser Schnittdarstellung ist in der Figur 2 der Schnitt oben durch die Zylinderrollen und untern genau zwischen die Zylinderrollen gelegt.

In der Fig. 3 ist eine bevorzuge Kurvenausführung für den Kurvenring 8 für zwei Anwendungen schematisch dargestellt, welcher eine Kippbewegung der Welle 4 und damit den Ausgleich der Pendelbewegung während des Antriebs der Welle 4 durch den Direktantrieb 2 bewirkt. Diese Kurvenausführung ist beispielsweise besonders für eine manuelle Verstellung der Welle 4 zur Rundlaufkorrektur und einer Parallelverschiebung der Welle 4 (wie in Fig. 2 gezeigt) geeignet. Ausgehend vom Nullpunkt erfolgt zunächst ein gleichmäßiger Kurvenanstieg 28 bis 45 Grad um 5 Mikrometer. Dann erfolgt eine Kurvenrast 29 von 45 bis 90 Grad, d. h. es erfolgt kein weiterer Anstieg und damit in diesem Bereich auch keine weitere Auslenkung der Welle 4. Ab 90 Grad erfolgt ein weiterer Kurvenanstieg 30 um 2,5 Mikrometer auf 7,5 Mikrometer. Dabei erfolgt eine überlagerte Drehbewegung des Direktantriebes 2. Mit der Drehbewegung des Direktantriebes 2 bewegt sich zur gleichen Zeit der Kurvenmotor 8 und erzeugt einen 2, 5 Mikrometer Hub, d. h. eine Kippbewegung der Welle 4 von 2,5 Mikrometer und es kommt zur Überlagerung dieser Bewegungen. Von 135 Grad bis 180 Grad erfolgt ein weiterer Kurvenanstieg 31 auf 10 Mikrometer. Wird der Direktanrieb gebremst oder in seiner Position geregelt gehalten, kann der Kurvenmotor 8 bei beim Drehen die Welle 4 quer verlagern, (siehe Ausführungen zur Fig. 5).

In der zweiten beispielhaften Ausführung des Kurvenringes 8 ist ein freier Kurvenverlauf 32 nach individuellen kundenspezifischen Wunsch mit einem Kurvenverlauf von 5 bis 10 Mikrometer gezeigt. Zu jedem Drehwinkel von 90 bis 180 Grad kann der Hub individuell ausgelegt werden, was eine kundenspezifische Wellenquerbewegung oder eine kombinierte Dreh- und Kippbewegung der Welle 4 bewirkt. Damit ist dieser Bereich kein Rückhub, sondern ein aktiver Stellbereich, welcher von beiden Seiten angefahren werden kann. Bei 180 Grad in der Position 33 erfolgt bei maximal 10 Mikrometer eine Wellenverlagerung innerhalb der Lagervorspannung, d. h. die Welle 4 wird in die eingestellte Vorspannung von 10 Mikrometer in eine Art Kreisring gedrückt.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine Rollenlagereinheit im Bereich des Kurvenringes 8. Der Kurvenring 8 ist außen mit dem gleichen Kurvenverlauf koaxial wie der innere Kurvenverlauf ausgebildet und ist mit einer Zylinderrollenreihe 15 im Lagergehäuse 18 gelagert. Die Zylinderrollenreihe 15 besitzt eine Vorspannung bis ca. 10 Mikrometer. Der Kurvenring 8 hat innen und außen den gleichen koaxialen Kurvenverlauf. In dieser Figur ist die Vorspannung 33 als Leerraum dargestellt. Dadurch ist der Kurvenring 8 sowohl von außen durch die Oberfläche des Lagergehäuses 18 als auch von Innen durch die Oberfläche der Welle 4 verspannt. Diese Verspannung bedeutet einen erheblichen Steifigkeitsgewinn bis in den Nanometerbereich bezogen auf die Bewegung der Welle 4 am Wellenende 5. Dagegen sind die axialen Zylinderrollenreihen 14 und die radialen Zylinderrollenreihen lö s nur gering (3-5 Mikrometer) vorgespannt, so dass hier eine gezielte Nachgiebigkeit ausgebildet ist.

In der Fig. 5 ist die Linearbewegung des Wellenendes 5 im Raum mit den zwei unterschiedlichen Motoren, dem Direktantrieb 2 und dem Kurvenmotor 21 gezeigt. Durch die eingetragenen Bearbeitungskräfte am Wellenende 5 wird beispielsweise die Abtriebswelle, d. h. das Wellenende 5, nach rechts ausgelenkt. Diese Auslenkung wird durch das mehrdimensionale Hochgenauigkeitsmesssystem 9 mittels, dem mit der Welle 4 verbundenen Wellenendmessring 9, gemessen. Diese Messergebnisse werden adaptiv in den Kurvenringmotor 21 übertragen, welcher den Kurvenring 8 radial verdreht und somit durch seine Kurvengestaltung eine gegen gerichtete Auslenkung bewirkt. Es entsteht im Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens eine genau definierbare Regelbreite 34. Sie erzeugt eine bestimmte Kippbewegung der Welle 4 in Gegenrichtung. Die Regelbreite 34 entsteht durch die wechselseitige Ansteuerung von Direktantrieb 2 und Kurvenmotor 21, welche bei der Auslenkung des Messringes und der adaptiven Regelung mit einer genau definierten Eigenfrequenz nach ermittelten Messwerten des Messsystems angesteuert werden.

Die erfindungsgemäße kompakt bauende Rollenlagereinheit 1 mit Direktantrieb ist einsetzbar für Rundtische mit hochgenauen Plan-/Rundlauf im Nanometerbereich zur Aufnahme von Axial - und Radiallasten, insbesondere in der Schleifbearbeitung und der Metrologie.

Bezugszeichenliste

1 Rollenlagereinheit

2 Direktantrieb

3 Motorgehäuse

4 Welle

5 Wellenende

6 Wellenbund

7 Wellenflansch

8 Kurvenring

9 Hochgenauigkeitsmesssystem

10 Wellenendmessring

11 Kurvenringmesssystem

12 Lagergehäuseaußenring

13 Axiallagerschulter

14 Axiale Zylinderrollenreihen

15 radiale Zylinderrollenreihe (hoch vorgespannt, ein oder zweireihig ausgebildet)

16 radiale Zylinderrollenreihen für Wellenlagerung ( gering vorgespannt )

17 Antriebswelle

18 Lagergehäuse

19 Rotor Kurvenringmotor

20 Stator Kurvenringmotor

21 Kurvenringmotor

22 Zwischenring

23 Ab steckbohrung

24 Kurvenringmessring

25 Motorgehäusescheibe

26 Bordführung

27 Ab steckstift

28 Kurvenanstieg 5 pm/45Grad

29 Kurvenrast 45 Grad

30 Kurvenanstieg 2,5 pm mit überlagerter Drehbewegung -45Grad des

Direktantriebes Kippbewegung der Welle bei gebremsten Direktantrieb Freier Kurvenverlauf nach gewünschten Kundenprofil max. 10 pm Wellenverlagerung innerhalb der Lagervorspannung Regelbreite beider Motoren /Direktantrieb und Kurvenmotor

Claims

Patentansprüche:

1. Kompakte Rollenlagereinheit (1) mit Direktantrieb (2) für Rundtische mit hochgenauen Plan-/Rundlauf im Nanometerbereich zur Aufnahme von Axial - und Radiallasten mit mindestens einem angeordneten mehrdimensionalen

Hochgenauigkeitsmesssystem (9), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass am Wellenende (5) einer Welle (4) an einer Messsystemscheibe (12) ein mehrdimensionales Hochgenauigkeitsmesssystem (9, 10) angeordnet ist, an einer Motorgehäusescheibe (25) eine Kurvenringmesssystem (11) bestehend aus Kurvenringmesskopf und Kurvenringmessring (24), welches mit einem Kurvenringmotor (21) verbunden ist, angeordnet ist, dass die Welle (4) über einen zusätzlichen speziell geschliffenen Kurvenring (8) innen in der Rollenlagereinheit (1) und über eine oder mehrere gestaffelt angeordnete radiale Zylinderrollenreihen (15, 16) entweder als Zylinderrollenreihen oder Zylinderrollenreihenpaare ausgebildet, direkt im Lagergehäuse (18) der Rollenlagereinheit (1) ohne Laufringe gelagert und geführt ist, die Welle (4) zusätzlich in einem verstellbaren Kurvenring (8) gelagert ist, der Kurvenring (8) direkt mit einem Rotor (19) eines innen im Lagergehäuse (18) angeordneten Kurvenringmotors (21) verbunden und drehbeweglich ausgebildet ist, der Kurvenringmotor (21) am Lagergehäuse (18) befestigt ist, und/oder der Kurvenring (8) mit einer Verstelleinrichtung von außen manuell über eine oder mehrere Absteckbohrung(en) (23) mittels eines oder mehreren Absteckstiftes(en (27) verstellbar ausgebildet ist, und die radialen Zylinderrollenreihen (16) oder radialen Zylinderrollenreihenpaare (16) und die Zylinderrollenreihe für die Kurvenringaußenlagerung (15) mit unterschiedlich definierten Lagervorspannungen eingestellt sind.

2. Kompakte Rollenlagereinheit (1) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Kurvenringradien (26) des Kurvenringes (8) gestaffelt einem Verlauf einer individuell angepassten archimedischen Spirale bis 180 Grad folgend ausgebildet sind und dann diese je nach Einsatzzweck individuell unterschiedlich zurückgeführt ausgebildet sind.

3. Kompakte Rollenlagereinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurvenring 8 mit zwei komplementären Doppelkurven ausgebildet ist und über zwei voneinander beabstandete Zylinderrollenreihen (15) im Lagergehäuse (18) gelagert ist.

4. Kompakte Rollenlagereinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagervorspannung der radialen Zylinderrollenreihe(n) (15) für den Kurvenring (8) bis 10 Mikrometer beträgt und innerhalb dieser Vorspannung der koaxiale Kurvenring (8) verdrehbar ausgebildet ist.

5. Kompakte Rollenlagereinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagervorspannung der radialen Zylinderrollenreihen (16) maximal mit einer halben Vorspannung zwischen 3 bis 5 Mikrometer eingestellt ist.

6. Kompakte Rollenlagereinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der manuell oder motorisch verstellbare Kurvenring (8) im Nanometerbereich deformiert bzw. verspannt ausgebildet ist, um den Innendurchmesser in seiner Abweichung vom Kreis (Rundheit) zu verbessern ohne die Gesamtsteifigkeit einzuschränken.

7. Kompakte Rollenlagereinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurvenring am Innen - und Außendurchmesser mit einem gleichen koaxial ausgerichteten Kurvenverlauf zur Verstellung im Nanometer - oder Mikrometerbereich ausgebildet ist.

8. Kompakte Rollenlagereinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im mehrdimensionalen Hochgenauigkeitsmesssystem (9) 4 bis 8 Messköpfe verteilt angeordnet sind.

9. Verfahren zur Regelung der Rundlaufabweichung einer kompakten Rollenlagereinheit (1), mit Direktantrieb (2) für Rundtische mit hochgenauen Plan-/Rundlauf im Nanometerbereich zur Aufnahme von Axial - und Radiallasten mit mindestens einem angeordneten mehrdimensionalen Hochgenauigkeitsmesssystem (9), dadurch gekennzeichnet, dass laufend oder getaktet durch ein oder mehrere mehrdimensionale(s) Hochgenauigkeitsmesssystem(e) (9) die Rundlaufabweichung einer Welle (4) gemessen und ausgewertet wird, dass ein innen innerhalb der Rollenlagereinheit (1) angeordneter Kurvenring (8) in Abhängigkeit von der gemessenen Rundlaufabweichung (Pendelbewegung) der Welle (4) automatisch motorisch gesteuert während der des Rundlaufes, oder im Stillstand der Welle (4) motorisch und /oder von Hand so verstellt wird, dass eine Art hochpräzise Lagebewegung über die Lagermitte der Welle (4) im Raum erfolgt.

10. Verfahren zur Regelung der Rundlaufabweichung einer kompakten Rollenlagereinheit (1) nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass in ein und derselben Rollenlagereinheit (1) sowohl die motorische als auch die manuelle Rundlaufverstellung vorgesehen und ausführbar sind.