DD256843A1 - Spindel mit axialer praezisionsfeinverstellvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine in Werkzeugmaschinen einsetzbare Spindel zur Aufnahme von rotierenden Werkstuecken oder Werkzeugen, bei der waehrend des Bearbeitungsvorganges dem Werkstueck oder Werkzeug durch eine gesteuerte Praezisionsfeinstelleinrichtung eine axiale Bewegung erteilt wird mit dem Ziel, dem zu bearbeitenden Werkstueck eine bestimmte vorgegebene geometrische Form zu geben. Erfindungsgemaess ist zur Axialverschiebung am arbeitsseitigen Ende der Spindel eine aus einem Keilgetriebe und einem Axiallager bestehende Baugruppe vorgesehen, bei der das Keilgetriebe einen quer zur Rotationsachse der Spindel verschiebbaren Keil besitzt, dessen eine Keilflaeche auf einer mit dem Spindelgehaeuse fest verbundenen ebenen Flaeche gleitet und dessen zweite Keilflaeche auf einem zum Spindelgehaeuse in axialer Richtung verschiebbaren Teil gleitet, welches gleichzeitig als Axiallager der Spindel ausgebildet ist, und dass Keilgetriebe und Axiallager belastet sind durch ein Vorspannsystem, das durch ein gesondertes Lager auf der Spindel abgestuetzt ist.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine in Werkzeugmaschinen einzusetzende Spindel zur Aufnahme von rotierenden Werkstücken oder Werkzeugen, bei der während des Bearbeitungsvorganges dem Werkstück oder dem Werkzeug durch eine gesteuerte Präzsionsfeinstelleinrichtung eine axiale Bewegung erteilt wird mit dem Ziel, dem zu bearbeitenden Werkstück eine bestimmte vorgegebene geometrische Form zu geben. ι

- 2 -Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannt sind Werkzeugmaschinen, bei denen eine auf einem Schlitten befindliche Spindel vermittels des Schlittens in axialer Richtung verstellt werden kann.

Nachteilig ist dabei, daß zwischen der Bewegungsrichtung des Schlittens und der Rotationsachse der Spindel Abweichungen auftreten können, die zu Lagefehlern führen, und daß sowohl die Masse der Spindel und des Spindelgehäuses als auch die Masse des Schlittens zu verstellen sind.

Weiter sind Drehmaschinen bekannt, bei denen zum Zweck des Gewindeschneidens die Werkstückspindel in ihren Radiallagern verschoben wird, Wobei die Verschiebung zwangsweise durch eine Gewindepatrone erfolgt, die am rückwärtigen Ende der Spindel aufgenommen ist (Max Hofmann, Handbuch der praktischen Werkstatt-Mechanik, A. Hartleben's Verlag Wien und Leipzig, 2. Auflage, Seite 30-31; G. Kärger, Präzisions-Patronen-Drehbank, Zeitschrift für Instrumentenkunde 40 [1920] H.1,

S. VIII).

Diese Lösung ist nur zum Gewindeschneiden geeignet. Nachteilig ist weiterhin, daß sich die durch Lagerreibung bedingte Erwärmung wegen der Ausdehnung der langen Spindel auf die Werkstückgenauigkeit auswirkt.

Bekannt ist auch eine Maschine für die Bearbeitung optischer Flächen, bei der die Werkstückspindel mittels einer Stellschraube am rückwärtigen Ende der Spindel durch Verstellung des Axiallagers verstellt werden kann (Heynacher, E., Fertigung und Prüfung asphärischer Flächen, Feinwerktechnik und Meßtechnik 92 [1984], H.1, S. 1-2).

Diese Lösung dient nur der Erteilung einer Zustellbewegung, die nicht angesteuert wird und besitzt außerdem den zuvor erwähnten Nachteil der Auswirkung einer Erwärmung durch Ausdehnung der langen Spindel.

Es ist weiterhin ein Spindelstock mit axialer Feinverstellung bekannt („Feingerätetechnik" 31 [1982], S. 555-558).

Bei diesem Spindelstock wird die luftgelagerte Spindel mit einer am rückwärtigen Spindelende zusätzlich angebrachten Baugruppe Feinstellgetriebe axial verschoben. Nachteilig bei diesem Spindelstock ist, daß sich Temperaturänderungen über die gesamte Spindeilänge und das Feinstellgetriebe auf die Lageänderung des Spindelkopfes auswirken. Nachteilig ist weiterhin, daß sich auf die axiale Steifigkeit zwei Lagerflächen des Axiallagers, zwei Lagerflächen des Feinstellgetriebes und die Kupplung zwischen Feinstellgetriebe und Spindel auswirken.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, bei Vermeidung der genannten Nachteile insbesondere eine Erhöhung der Lagerstabilität des rotierenden Spindelkopfes bei weitgehender Vermeidung von Temperatureinflüssen und bei erhöhter Steifigkeit der Spindel zu erreichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Präzisionsspindel zur Aufnahme eines Werkstückes oder eines Werkzeuges zu schaffen, die sich während der Rotation entlang der Spindelachse mit hoher Präzision in kleinen Schritten verschieben läßt.

Dabei sollen Temperaturänderungen, die Längenänderungen der Spindel bewirken, möglichst Lageveränderungen des Spindelkopfes ausschließen. Weiterhin soll die Spindel hohe Steifigkeiten aufweisen, so daß Verlagerungen des Spindelkopfes infolge von Bearbeitungskräften weitgehend vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Axialverschiebung am arbeitsseitigen Ende der Spindel eine aus einem Keilgetriebe und einem Axiallager bestehende Baugruppe vorgesehen ist, bei der das Keilgetriebe einen quer zur Rotationsachse der Spindel verschiebbaren Keil besitzt, dessen eine Keilfläche auf einer mit dem Spindelgehäuse fest verbundenen ebenen Fläche gleitet und dessen zweite Keilfläche auf einem zum Spindelgehäuse in axialer Richtung verschiebbaren Teil gleitet, welches gleichzeitig als Axiallager der Spindel ausgebildet ist, und daß Keilgetriebe und Axialgetriebe belastet sind durch ein Vorspannsystem, das durch ein gesondertes aero- oder hydrostatisches Lager auf der Spindel abgestützt ist. Die axial wirkende Kraft des Vorspannsystems wird mechanisch durch Federn oder aber pneumatisch bzw. hydraulisch erzeugt.

Der die axiale Verschiebung der Spindel bewirkende Keil ist mittels einer Gewindespindel verschiebbar.

Eine Stirnseite des Keils ist mit der drehgesicherten Mutter der Gewindespindel, die quer zur Spindelachse angeordnet ist, verbunden. Die Gewindespindel ist direkt oder über ein weiteres Getriebe mit einem ansteuerbaren Motor verbunden. Dieser Motor kann als Schrittmotor oder als Stellmotor mit Lagerückmeldung ausgeführt sein. Zur Entlastung der Gewindespindel gegenüber den durch das Vorspannsystem am Keil erzeugten Schubkräften dient ein Kompensationssystem, so daß die Gewindespindel mit geringer Kraft vorgespannt ist.

Das Radiallager der Spindel besteht aus einer Lagerbuchse, deren vorderer oder hinterer Lagerbereich in einem Arbeitsgang gefertigt sind. Die Lagerabmessungen von Radial- und Axiallager sind so aufeinander abgestimmt, daß das Axiallager außer den Axialkräften auch Kippkräfte aufnimmt, so daß das Radiallager kurz ausgeführt und somit eine kurze Baulänge der Spindel erzielt werden kann. Zweckmäßigerweise sind die Radial-, Axial- und Keilgetriebelager als aerostatische oder als hydrostatische Lager ausgeführt.

Eine weitere vorteilhafte Maßnahme zur Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gegeben, daß bei dem Keilgetriebe der Keilwinkel gegenüber dem die Weguntersetzung bestimmenden Betrag um eineri zusätzlichen Betrag abweicht zur Kompensation der durch die Auswirkungen der Federkennlinie des Vorspannsystems bedingten elastischen Verformung der Lagerspalte in Keilgetriebe und Axiallager.

Weiterhin ist bei dem Keilgetriebe die Korrektur sehr kleiner Stellwegfehler durch Veränderung der Translationsrichtung des Keils gegenüber der Gewindespindel um kleine Winkel ein einer justierbaren Anordnung möglich.

Am antriebsseitigen Ende der Spindel befindet sich eine gesondert gelagerte Riemenscheibe auf einem zweckmäßigerweise aerostatischen Lager, das Längsverschiebung der Riemenscheibe zuläßt, wobei die Drehmomentübertragung über eine Kupplung erfolgt, die keine weiteren Kräfte überträgt. Eine andere Art des Antriebs der Spindel ist durch die fluchtende Anordnung eines vorzugsweise regelbaren Motors über eine Kupplung zur Drehmomentübertragung.

Am rückwärtigen Ende der Spindel ist eine Längenmeßvorrichtung angeordnet, die die Kontrolle der axialen Spindelverschiebung ermöglicht. Bei einer Ausbildung von Spindel und Riemenscheibe als Hohlwellen ist die Längenmeßvorrichtung innerhalb dieses Hohlraumes so angeordnet, daß sich die Meßstelle im Innern der Spindel auf ihrer Achse in der Nähe des Spindelkopfes befindet. Die Funktion der erfindungsgemäßen Spindel mit axialer Präzisionsfeinversteilung ist folgende:

Nach Zuführung der Lagermedien Luft in die aerostatischen Lager oder Öl in die hydrostatischen Lager sind die sich gegeneinander bewegenden Teile praktisch reibungsfrei beweglich. Die Drehung der Spindel erfolgt durch einen angekoppelten Antriebsmotor direkt oder über die an die Spindel angekoppelte Riemenscheibe. Während dieser Spindeldrehung wird die Spindel nach Bedarf axial in sehr kleinen Schritten vorwärts oder rückwärts bewegt. Der zur Axialverschiebung vorgesehene Motor wird gesteuert durch Befehle von außen über eine Ansteuerelektronik. Seine Drehbewegungen versetzen die Gewindespindel direkt oder über ein weiteres Rotationsgetriebe in eine Drehbewegung. Diedaraus resultierende translatorische Bewegung der drehgesicherten Mutter wird auf den angekoppelten Keil übertragen, der quer zur Achse der Spindel verschoben wird. Damit verschiebt der Keil abtriebseitig das Axiallager der Spindel und damit die Spindel.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt schematisch den Axialschnitt eines Spindelstocks mit axialer Präzisionsfeinverstellung der Spindel.

Die Welle 2 dreht sich im Lagerkörper mit Radiallager 3 des Spindelgehäuses 13 als aerostatisches Lager. Aerostatisch sind auch die vordere Planscheibe 1 des Spindelkopfes gegen die Axialscheibe 4 gelagert sowie der Keil 5 gegen die Axiallagerscheibe 4 und gegen den mit dem Spindelgehäuse 13 fest verbundenen Lagerring 9, wie auch das Gegenlager 15 gegen das Vorspannsystem 14.

Das Vorspannsystem 14 besteht aus Zugfedern 16 und Druckfedern 11 und zieht die Welle 2 an den Lagerring 9 des Spindelgehäuses 13 heran, so daß die vier Luftlager vorgespannt sind. Der quer zur Spindelachse verschiebbare Keil 5 trägt in seinem Hohlraum die Mutter 6 der Gewindespindel 7, die über ein Schneckengetriebes vom Schrittmotor 10 gedreht wird. Der Keil 5 hat einen Durchbruch, der das Radiallager 3 umschließt. Parallel zu seiner Gewindespindel 7 sind zwei in der Zeichnung nicht dargestellte luftgelagerte pneumatische Kolben angeordnet, die die vom Vorspannsystem 14 auf den Keil 15 wirkende Kraft in seiner Bewegungsrichtung weitgehend zur Entlastung der Gewindespindel 7 kompensieren. Mit dieser Anordnung sind bei entsprechender Dimensionierung beispielsweise ein axialer Verstellbereich von 5mm und eine Spindelwegschrittgröße von 0,1 μ.ΓΠ erreichbar,. Die Drehbewegung der Welle 2 wird übertragen durch die Riemenscheibe 17, die mehrstufig ausgebildet sein kann und über ein gesondertes aerostatisches Riemenscheibenlager 18 auf dem Spindelgehäuse 13 gelagert ist und mit der Wellrohrkupplung 19 an die Welle 2 gekoppelt ist. Das rückwärtige Ende 20 der Spindel kann für den Ansatz eines Wegmeßsystems verwendet werden, um die Axialbewegung der Welle 2 zu messen. Die aerostatischen Lager werden zentral von der im Spindelgehäuse 13 befindlichen Luftkammer 12 aus mit Lagerluft versorgt.

Eine erfindungsgemäß ausgebildete Spindel zur Aufnahme eines Werkzeuges oder Werkstückes, bei der auf Grund ihrer Steifigkeit und Lagestabilität Lageabweichungen infolge von Bearbeitungskräften weitgehend vermieden und Temperatureinflüsse stark reduziert sind, ermöglicht die Bearbeitung großer Werkstücke von etwa 300 mm Durchmesser mit einer Bearbeitungsgenauigkeit im Submikrometerbereich.

Claims (12)

1. Spindel mit axialer Präzisionsfeinverstellvorrichtung für ein Werkzeug oder Werkstück, die während ihrer Rotation axial in ihren Radiallagern verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Axialverschiebung am arbeitsseitigen Ende der Spindel eine aus einem Keilgetriebe und einem Axiallager bestehende Baugruppe vorgesehen ist, bei der das Keilgetriebe einen quer zur Rotationsachse der Spindel verschiebbaren Keil besitzt, dessen eine Keilfläche auf einer mit dem Spindelgehäuse fest verbundenen ebenen Fläche gleitet und dessen zweite Keilfläche auf einem zum Spindelgehäuse in axialer Richtung verschiebbaren Teil gleitet, welches gleichzeitig als Axiallager der Spindel ausgebildet ist, und daß Keilgetriebe und Axiallager belastet sind durch ein Vorspannsystem, das durch ein gesondertes Lager auf der Spindel abgestützt ist.

2. Spindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die axiale Verschiebung der Spindel bewirkende Keil mittels einer Gewindespindel verschiebbar ist, deren Rotation direkt oder unter Einschaltung eines Getriebes von einem ansteuerbaren Motor, beispielsweise einem Schrittmotor oder einem Stellmotor mit Lagerückmeldung erfolgt.

3. Spindel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Radiallager aus einer Lagerbuchse besteht und die Abmessungen von Radiallager und Axiallager derart aufeinander abgestimmt sind, daß das Axiallager außer Axialkräfte auch Kippkräfte aufnimmt.

4. Spindel nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung als aerostatische Lagerung aufgebaut ist. ι

5. Spindel nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung als hydrostatische Lagerung aufgebaut ist.

6. Spindel nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verstellung des Keiles dienende Gewindespindel gegenüber den durch das Vorspannsystem am Keil erzeugten Schubkräften durch ein Kompensationssystem entlastet wird.

7. Spindel nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Keilwinkel gegenüber dem die Weguntersetzung bestimmenden Betrag um einen zusätzlichen Betrag abweicht zur Kompensation der durch die Auswirkungen der Federkennlinie des Vorspannsystems bedingten elastischen Verformung der Lagerspalte in Keilgetriebe und Axiallager.

8. Spindel nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Keilgetriebe zur Korrektur sehr kleiner Stellwegfehler die Translationsrichtung des Keiles gegenüber der Gewindespindel um kleine Winkel justierbar angeordnet ist.

9. Spindel nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb der Spindel durch einen Riementrieb erfolgt, dessen Riemenscheibe gesondert z. B. aerostatisch gelagert und gegenüber der Welle längsverschieblich angeordnet ist, und die Drehung über eine Kupplung erfolgt, die den Stellweg zwischen Spindel und Riemenscheibe zuläßt.

10. Spindel nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb der Spindel durch einen fluchtend angeordneten vorzugsweise regelbaren Motor erfolgt, der mit der Spindel durch eine Kupplung verbunden ist, die die axiale Verstellung zuläßt.

11. Spindel nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kontrolle der axialen Verschiebung der Spindel eine Längenmaßvorrichtung am rückwärtigen Ende der Spindel angeordnet ist.

12. Spindel nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindel als Hohlwelle ausgebildet ist und zur Kontrolle ihrer axialen Verschiebung eine durch die Hohlwelle hindurch arbeitende Längenmeßvorrichtung vorgesehen ist, deren Meßstelle sich im Innern auf der Achse in der Nähe des vorderen Spindelkopfes befindet.