LINEAR MOVEMENT FOR MACHINE TOOL

Abstract: 1. Device for generating reciprocating linear movements in machines such as manufacturing equipment, especially machine tools, having a rigid bed, having two rigid parallel bearing blocks arranged with spacing and extending in the same direction away from the bed, having a threaded spindle, the two ends of which are held each in a bearing block spaced from the bed, having an electric drive motor rotating to right and left, which comprises a stator and a rotor, having a measuring device recognising the angular position of the rotor, having a spindle nut seated on the threaded spindle and movable in the range between the bearing blocks, having an entraining device which is entrained by the spindle nut in axially play-free manner, having a work carriage on which the entraining device acts and having a guide device which guides the work carriage, characterised by the following features : a) the threaded spindle (16) is clamped in under tension stress non-rotatably between the bearing blocks (12, 13), b) the spindle nut (24) is mounted rotatably on the entraining device (28, 29), c) the rotor (32) is connected unrotatably with the spindle nut (24) and arranged coaxially with the longitudinal axis (37) of the threaded spindle (16), d) the stator (33) is rigidly connected with the work carriage (31).

Description: LINEARBEWEGUNGSVORRICHTUNG FÜR MASCHINEN Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Bei Präzisionsmaschinen wie z.B. Werkzeugmaschinen treibt ein Gleichstrommotor ein Zwischengetriebe an. Dieses treibt eine Spindel an. Auf der Spindel sitzt eine Mutter, und diese nimmt ein Schlittensystem mit. Diese Vorrichtungsart hat folgende Nachteile: a) Es sind an der Bewegung - abgesehen vom Schlitten - grosse Massen beteiligt: Der Rotor des Motors, das Getriebe und die Spindel selbst. Bei Werkzeug maschinen haben Spindeln Durchmesser von 5 - 10 cm. Es gibt aber auch 20 cm dicke Spindeln. Es müssen daher grosse Massen beschleunigt und abge bremst werden, was das System träge macht und Lager belastet. b) Nur wenn die Spindel genügend steif ist, folgt sie auch genau den Dreh bewegungen des Getriebes. Ist die Spindel nicht genügend steif, lässt die Präzision nach. Dies bedeutet, dass man relativ kurze Spindeln verwenden muss und dass deshalb der Weg des Arbeitsschlittens kurz bleiben muss. c) Wenn eine Sp indel rotiert, dann erzeugt sie auch Schwingungen. Diese Schwingungen belasten die Lager und mindern die Prizision. Man kann sich dabei eine solche Welle als schwingenden Stab vorstellen, der drei Schwingungsknoten hat, nämlich in den Lagerböcken md in der Spindelmutter. Da die Spindelstrecken le nach Stellung der Gewindespindel unterschiedlich lang sind, treten auch unterschiedliche Schwingungen auf. Es gibt auch von dieser Seite her Obergrenzen für die Drehgeschwindigkeit der Gewinde spindeln. Auf den Strecken Lagerbock/Spindel mutter/Lagerbock hängt die Gewindespindel durch, und zwar je nach Stellung der Spindelmutter mehr oder weniger. Dieser unterschiedliche Durchhang muss konstruktiv berück sichtigt werden. Er führt ausserdem auch dazu, dass die Gewindespindel nicht ganz exakt axial in die Spindelmutter ein läuft. d) In allen Schwingungsknoten wird die Gewindespindel auch auf Knickung beansprucht. Dies gilt auch für die zwischen Antriebsmotor und darauf folgen dem Lagerbock liegenden Knoten. e) Nicht nur die Lagerböcke sind nachgebig. Vielmehr müssen auch die Lager in den Lagerböcken ein gewisses axiales Spiel haben. Deshalb und aus anderen Gründen hat man Probleme, den Antriebsmotor mit seiner rotatorischen Be wegung starr mit der linearen Bewegung des Arbeitsschlittens zu koppeln. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die die oben bezeichneten Nachteile beseitigt. Erfindungsgemäss wird dies durch die aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs ersichtlichen Merkmale gelöst. Diese Lösung hat u. a. folgende Vorteile: a) Da jetzt die Gewindespindel ganz wesentlich steifer als früher ist, braucht man nicht mehr soviel Gewindespindeln auf Lager zu halten. Dass die Lagerhaltung mit eine Funktion der Steifigkeit ist, sieht man daran, dass bei unendlich steifer Gewindespindel nur ein einziger Typ auf Lager gehalten werden müsste. b) Die Spindel länge und damit die Fahrlänge des Arbeitsschlittens kann wesent lich länger sein. c) Die Vorrichtung wird wesentlich leichter, da man nun auch mit dünneren Gewindespindeln auskommen kann. d) Die Konstruktion wird wesentlich billiger, denn es entfallen die Lager in den Lagerböcken. e) Wegen wesentlich weniger rotatorisch bewegter Masse ist die Vorrichtung wesentlich trägheitsärmer. f) Zur Steifigkeit trägt auch die Torsionssteifigkeit der Gewindespindel doppelt bei, weil ja nun beide Enden fest eingespannt sind. g) Unabhängig von der Lage der Spindelmutter auf der Gewindespindel hat man immer das gleiche Ansprechverhalten, während ja im Stand der Technik der Torsionswinkel umso grösser ist, je weiter sich die Spindelmutter vom Antriebs motor entfernt befindet. h) Die kritischen Drehzahlen, die die Verschiebegeschwindigkeit des Arbeits schlittens massgeblich mitbestimmen, liegen nunmehr in einem nicht mehr interessierenden hohen Bereich. i) Die erreichbare Auflösung kann sehr hoch sein. Die Steigung der Gewinde spindel kann grössenordnungsmässig 5 - 10 mm je Umdrehung sein. Durch bekannte, vom Anmelder bereits entwickelte Vorrichtungen kann die Auflösung 1/ 10 000 Umdrehung sein, und dies bedeutet, dass typischerweise die kleinste Auflösung am Arbeitsschlitten etwa 0,5 Mikrometer ist. j) Der Unterschied in der Spindelsteifigkeit liegt mindestens beim Faktor 2. Dies bedeutet, dass man bei gleicher Spindellänge halb so dünne Spindeln nehmen kann oder bei gleicher Spindelstärke doppelt so lange Spindellängen realisieren kann. k) Der Fluchtungsfehler zwischen der geometrischen Mittenachse der Gewinde spindel und der Spindelmutter kann praktisch vernachlässigt werden. Durch die Merkmale des Anspruchs 2 erhält man Werte, durch die die Erfindung voll ausgenützt werden kann. Dabei gilt die Untergrenze mehr für gerollte Gewindespindeln und die Obergrenze gilt mehr für geschliffene Gewindespindeln. Man ist mit solchen Bemessungen in der Lage, Adhäsionsrucke weitgehend auszuschalten, die bei kleinen Bewegungen ja eine Rolle spielen. Durch die Merkmale des Anspruchs 3 vermeidet man jedes Zwischengetriebe zwischen Rotor und Spindelmutter. Motoren gemäss den Ansprüchen 4 und 5 haben sich bei Prototypen sehr bewährt. Zum Beispiel hat der Asynchron-Motor keine inneren Wicklungen. Durch die Merkmale des Anspruchs 6 bestimmt die Spindelmutter die Länge in diesem Bereich. Durch die Merkmale des Anspruchs 7 erhält man leichter zu beherrschende, symmetrische Verhältnisse. Durch die Merkmale des Anspruchs 8 nützt man den Platz zwischen dem Antriebsmotor und Teilen der Mitnahmevorrichtung aus. Durch die Merkmale des Anspruchs 9 vermeidet man die Nachteile der an sich ebenfalls möglichen fliegenden Lagerung der Spindelmutter. Durch die Merkmale des Anspruchs 10 erhält man eine sehr einfache Verbindung, und zudem trägt der Rotor auch noch zur Steifigkeit der Spindelmutter bei. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass unter "Spindelmutter" nicht eine einstückige Mutter verstanden wird. Vielmehr wird hierunter eine Vorrichtung gemäss dem seitherigen, üblichen Aufbau verstanden, die zumindest zwei Spindelmutterhälften umfasst, welche zwecks Spielausgleichs gegeneinander federverspannt sind und ihrerseits in einer Hülse sitzen. Bei Anwendungsfällen, in denen es auf die Präzision nicht so sehr ankommt, kann die Spindelmutter allerdings ein einstückiger Teil sein. Die Erfindung wird nunmehr anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben. Die einzige Figur zeigt eine schematische Seitenansicht der Erfindung, die fur das Verständnis des Durchschn i ttsfachmanns ausreichend ist. Ein Bett 11 hat zwei Lagerböcke 12, 13, die an ihrem einen Ende fest mit dem Bett 1 1 verbunden sind. Das andere Ende der Lagerböcke 12, 13 ist ebenso fest mit einer Schlittenführung 14 verbunden. Das Bett 11 , die Lagerböcke 12, 13 und die Schlitten führung 14 bilden zusammen einen steifen Rahmen. Eine Gewindespindel 16 durchquert mit ihrem einen Endbereich 17 den Lagerbock 12 in e iner entsprechenden Ausnehmung und ist dort fest eingespannt, was durch die beiden, beidseitig vom Lagerbock 12 angeordneten Muttern 18, 19 symbolisiert wird. Der andere Endbereich 21 ist am Lagerbock 13 befestigt, was ebenfalls durch Muttern 22, 23 dargestellt wird. Durch die Muttern 18, 23 ist die Gewindespindel 16 in dem oben definierten Rahmen unter erheblichem Zug vorgespannt, etwa wie eine Saite in einer Harfe. Auf der Gewindespindel 16 sitzt eine Spindelmuttervorrichtung 24, die in nicht dargestellter Weise zwei gegeneinander verspannte Mutterhälften und eine diese umgreifende Hülse umfasst. Die Hülse ist in der Figur sichtbar. Die Spindelmutter vorrichtung 24 kann sich auf der Gewindespindel 16 links oder rechts herum drehen. An ihrem linken Ende ist sie durch ein Lager 26 und an ihrem rechten Ende durch ein Lager 27 ohne axiales Spiel geführt. Das Lager 26 und das Lager 27 befinden sich in Lagerschilden 28, 29, die von der Gewindespinde 116 durchquert werden. Während der eine Endbereich der Lagerschilde 28,29 die Spindelmuttervorrichtung 24 fasst, ist der andere Endbereich starr mit einem Arbeitsschlitten 31 verbunden.Diese Arbeits schlitten 31 wird an der Schlittenführung 14 geführt. Der Arbeitsschlitten 31 trägt z. B. ein zu bearbeitendes Werkstück oder aber ein Werkzeug, wie Schleifscheibe, Auf die Hülse der Spindelmuttervorrichtung 24 ist ein Rotor 32 eines Elektromotors aufgeschrumpft. Der Stator 33 ist starr am Arbeitsschlitten 31 befestigt. Im Raum des aus Rotor 32 und Stator 33 bestehenden Elektromotors einerseits und dem Lagerschild 28 andererseits ist auf dem linken Bereich der Spindelmuttervor- richtung 24 eine Kodierscheibe 34 drehfest vorgesehen.Diese trägt Strichmarkierungen ähnlich der aus der Beugungscptik bekannten Strichgitter. Die Lage der Striche wird von einem Sensor 36 gelesen, der fest mit dem Arbeitsschlitten 31 verbunden ist. Die Stromzuführung zum Sensor 36 als auch zum Stator 33 erfolgt über am Arbeitsschlitten 31 befestigte Kabel. Koaxial zur geometrischen Längsachse 37 sind die Gewindespindel 26, die Spindelmuttervorrichtung 24, der Rotor 32, der Stator 33 , die Lager 26, 27 und die Kodierscheibe 34. Je nachdem, ob der Rotor 32 rechts drehend oder links drehend angesteuert ist, bewegt sich der Arbeitsschlitten 31 in die eine oder andere Richtung. Der Abstand der Lagerschilde 28, 29 ist nicht grösser als bei bekannten Vorrichtungen, bei denen die Spindel muttervorrichtüng 24 feststeht aber die Gewindespindel 16 nicht vorgespannt rotiert. Der von den Lagerschilden 28, 29 umgebene Bauteileraum ist in mechanischer Hinsicht für praktische Verhältnisse ideal steif. Bei vielen Konstruktionen wird es nicht notwendig sein, die Lagerböcke 12, 13 mit der Schlittenführung 14 zu verbinden, sofern die Lagerböcke 12, 13 ausreichend steif sind. Ein Bett 11 ausreichender Steifigkeit ist aus anderen Gründen stets vorhanden.

Claims: Paten tanspruche: 1. Vorrichtung zur Erzeugung von hin- und hergehenden Linearbewegungen bei Maschinen wie Fertigungseinrichtungen, insbesondere Werkzeugmaschinen, sowie Plattern oder dergleichen, mit einem steifen Bett, mit zwei im Abstand angeordneten, parallelen, gleichsinnig vom Bett weg ragenden steifen Lagerböcken, mit einer Gewindespindel, deren beide Enden je in einem Lagerbock im Abstand vom Bett gehalten sind, mit einem rechts und links drehenden elektrischen Antriebsmotor, der einen Stator und einen Rotor aufweist, mit einer die Winkellage des Rotors erkennenden Messvorrichtung, mit einer auf der Gewindespindel sitzenden Spindelmutter, die im Bereich zwischen den Lagerböcken bewegbar ist, mit einer Mitnahmevorrichtung, die von der Spindel mutter axial spielfrei migenommen wird, mit einem Arbeitsschlitten, an dem die Mitnahmevorrichtung angreift und mit einer Führungsvorrichtung, die den Arbeitsschlitten führt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Die Gewindespindel (16) ist auf Zug belastet undrehbar zwischen den Lagerböcken (12, 13) eingespannt. b) Die Spindelmutter (24) ist drehbar an der Mitnahmevorrichtung (28 29) gelagert. c) Der Rotor (32) ist drehfest mit der Spindelmutter (24) verbunden. d) Der Stator (33) ist starr mit dem Arbeitsschlitten (31) verbunden. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei üblichem Spindel material für Werkzeugmaschinen die Zugbelastung zwischen 5 - 50 %, vorzugsweise zwischen 10 - 40 % , insbesondere bei 20 %, der für die Bewegung des Arbeitsschlittens notwendigen Kraft liegt. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (32) und der Stator (33) koaxial zur geometrischen Längsachse (37) der Gewinde spindel (16) sind und dass im Rotor (32) die Spindelmutter (24) drehfest vorgesehen ist. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebs motor (32, 33) ein Synchronmotor ist. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebs motor (32, 33) ein Käfigläufer-Asynchronmotor ist. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor (32,33) axial kurzer als die Spindelmuter (24) ist. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (32) mittig auf der Spindelmuter (24) sitzt. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Spindel mutter (24) eine Geberscheibe (34) der Messvorrichtung (34, 36) sitzt und dass der zugehörige Aufnehmer (36) Arbeitsschlitten-fest vorgesehen ist. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnahme vorrichtung zwei im Abstand angeordnete Lagerwangen (28, 29) umfasst, die zwischen sich die Spindelmutter (24) lagern. 10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (32) auf die Spindel mutter (24) aufgeschrumpft ist.

Inventors: STUTE, GOTTFRIED, PROF. DR.-ING., VOGT, GUNTHER, DIPL.-ING., WURST, KARL-HEINZ, DIPL.-ING., Vogt, Günther, Dipl.-Ing.
Applicants: MULLER, ARNOLD
Application year: 1983
Main classification: B23Q5
IPC codes: B23Q5