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Die
Erfindung betrifft einen Werkzeugantrieb für Werkzeugmaschinen
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie die
Verwendung des Werkzeugantriebs.
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Werkzeugmaschinen
mit einem Doppelspindelsystem ermöglichen es, dass aktorische
Werkzeuge, wie beispielsweise Plandrehköpfe sowie maschinell
einstellbare Winkelbohr- und Fräsköpfe automatisch
einwechselbar sind.
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Aus
der Druckschrift
DE
2 257 877 A1 ist ein Mehrspindel-Drehautomat bekannt, bei
dem mindestens eine Werkzeugspindel hohl ausgebildet und in der
hohlen Werkzeugspindel eine weitere Werkzeugspindel koaxial angeordnet
ist, wobei jede Spindel mit unterschiedlichen Drehzahlen antreibbar
ist. Hierbei kann jede Werkzeugspindel mit einem eigenen Vorschubantrieb
ausgestattet sein.
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Des
Weiteren ist aus der Druckschrift
DE 199 60 350 A1 ein Werkzeugantrieb für
Werkzeugmaschinen bekannt. Der Antrieb umfasst eine Arbeitsspindel
zur Aufnahme eines Werkzeugkopfs, einen maschinenfest angeordneten
Spindelmotor für den Drehantrieb der Antriebsspindel, mindestens
eine elektrische Motoranordnung für den Stellantrieb, einer
im Werkzeugkopf angeordneten Verstelleinrichtung und eine Stromversorgung
für die Motoranordnung. Um eine kompakte Bauweise zu erzielen,
ist die Motoranordnung in der Arbeitsspindel angeordnet und über
mindestens eine Abtriebswelle mit einem am Werkzeugkopf angeordneten
Drehantrieb für die Verstelleinrichtung kuppelbar. Bei
einer Anordnung der Motoranordnung für den Stellantrieb
in der Arbeitsspindel erfolgt eine zwangs läufige Synchronisierung
der Spindeldrehung mit der Drehung des Stellantriebs in dessen Ruhestellung,
so dass die Positionierung der Stellorgane über den Stellantrieb
erleichtert wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkzeugantrieb mit
Doppelspindel weiterzubilden, der für besonders hohe Drehzahlen
geeignet ist.
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Die
Erfindung wird bezüglich eines Werkzeugantriebs durch die
Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich einer Verwendung
des Werkzeugantriebs durch die Merkmale des Anspruchs 6 wiedergegeben.
Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen
vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
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Die
Erfindung schließt einen Werkzeugantrieb für Werkzeugmaschinen
mit einer im Inneren hohlen Arbeitsspindel zur Aufnahme eines Werkzeugkopfs
ein, mit einem Spindelmotor für den Drehantrieb und einer
koaxial innerhalb der Arbeitsspindel angeordneten Steuerspindel,
wobei
- – ein Planetengetriebe die Drehbewegung
von der Arbeitsspindel abnimmt und der Steuerspindel zuführt,
- – das Planetengetriebe aus einer Riemenantriebseinheit
aufgebaut ist und,
- – ein mit der Planetenradwelle in Wirkverbindung stehender
Stellmotor die relative Verdrehung von Arbeitsspindel und Steuerspindel
steuert.
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Die
Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass der Werkzeugantrieb
als Rotationsantrieb mit Drehzahlüberlagerungsgetriebe
eingesetzt wird. Dies steuert eine Stelldrehbewegung von mehreren koaxialen
angeordneten Spindeln, denen unterschiedliche Aufgaben zukommen.
Hierbei ermöglicht das Getriebe eine relative Verdrehung
einer Arbeits- und einer Steuerspindel zueinander. Die Drehbewegung
wird von der Arbeitsspindel abgenommen, über ein Planetengetriebe
geleitet und der Steuerspindel zugeführt. Bei stehender
Planetenachse laufen beide Spindeln synchron. Das Planetenrad kann
durch einen weiteren Antrieb, beispielsweise in Gestalt eines Differentialantriebs,
auf seiner Umlaufbahn vor- oder zurückgestellt werden,
was eine voreilende oder nacheilende relative Verdrehung der Steuerspindel zur
Arbeitsspindel erzeugt. Eine als Gewindespindel ausgebildete Steuerspindel
wandelt die Rotationsbewegung in Axialhub. Die relative Verdrehung
der Spindeln gegeneinander ist in plus beziehungsweise minus getriebeseitig
nicht begrenzt und ausgesprochen reproduzierbar. Durch verschiedene Übersetzungen
lassen sich weitere Vorteile in Bezug auf Anpassung, Genauigkeit,
Dynamik und Drehmomente erzielen. Die Spindeln können auch
mit geeigneten Ausnehmungen oder als Hohlwelle für eine
innere Mediendurchführung ein- oder zweikanalig ausgeführt
sein. Auch Zusatzeinrichtungen für automatische Werkzeugwechsel
oder Spanneinheiten können angedacht sein.
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Besonders
eignet sich der Überlagerungsantrieb für gesteuerte
Bohr-, Fräs- oder Drehwerkzeuge für Feinstbearbeitung
sowie dem Hartdrehen im Bereich der Schwerzerspanung. Auch eine
koaxiale Anordnung der beiden Spindelachsen mit gleicher oder entgegengesetzter
Rotationsrichtung ist angedacht. Der Werkzeugantrieb ist dabei an
einer Werkzeugmaschine modular anbaubar.
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Der
besondere Vorteil besteht darin, dass durch den erfindunggemäßen
Werkzeugantrieb, gegenüber bisher bekannten Antrieben,
insbesondere höhere Drehzahlen realisierbar sind. Der Antrieb
ist auch trotz hoher Drehzahlen äußerst geräuscharm und
thermisch unproblematisch. Zudem ist die erfindungsgemäße
Antriebsart ausgesprochen wartungsfreundlich. Auch führt
die vergleichsweise einfache Konstruktion zu einer kostengünstigen
Bauweise. Der koaxiale Antrieb beruht auf dem Prinzip einer mechanisch
gesteuerten master-slave Funktion, bei der keine zusätzliche
Achssteuerung der Arbeitsspindel und Steuerspindel nötig
ist. Eine derartige Antriebseinheit kann geschlossen und damit verschmutzungsfrei
ausgeführt sein.
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In
bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann die Riemenantriebseinheit
aus mehreren miteinander in Wirkverbindung stehenden Zahnriemenrädern
und Zahnriemen aufgebaut sein. Hierdurch wird der Antrieb ganz besonders
geräuscharm.
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In
besonders bevorzugter Ausführungsform kann die Riemenantriebseinheit
ein als Riemenrad ausgebildetes Planetenrad aufweisen, das auf einem Orbitarm
radial von einer vom Stellmotor angetriebenen Stellachswelle beabstandet
angeordnet ist und um die Stellachswelle rotierbar ist.
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Durch
den Drehantrieb wird über einen Riementrieb zunächst
die Drehbewegung auf die Arbeitsspindel übertragen. Auf
der Arbeitsspindel ist dabei ein Zahnriemenrad als Abzweigrad fixiert,
von dem die Drehbewegung der Arbeitsspindel abgegriffen wird und über
den Differentialantrieb die Steuerspindel angetrieben wird. Der
Differentialantrieb besteht aus einem drehbar gelagertem Orbitarm
und dem ebenfalls wälzgelagerten gestuftem Planetenrad.
Zur Erzeugung der Stellgrößen wird über
den Differentialantrieb und Orbitarm eine umkreisende Drehbewegung
ausgeführt. Dadurch werden zwei unterschiedlich übersetzte
Riementriebe mit unterschiedlichen Umlaufstecken auf- oder abgewickelt. Die
daraus abgeleiteten Strecken ergeben, je nach Drehrichtung, voreilende
oder nacheilende Winkelabweichungen zur Drehspindel. Der Differentialantrieb
kann unendlich vor oder zurückgedreht werden.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann die Riemenantriebseinheit
die Arbeitsspindel und die Steuerspindel bei stehender Stellachswelle synchron
angetrieben sein. Auf diese Weise kann die Differenzstellung in
jeder Position durch Anhalten des Differentialantriebes schlupffrei
drehzahlsynchronisiert werden.
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Vorteilhafterweise
kann an dem vom Antrieb abgewandten Ende der Arbeits spindel ein
Adapterstück angeordnet sein, mit dem eine axiale Positionierung
von Spanwerkzeugen möglich ist.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung schließt die Verwendung des
Werkzeugantriebes zur Drehung und Ansteuerung eines Dreh- oder Bohrkopfes ein.
Diese Verwendung kann das Steuern von rotatorisch auslenkbaren Werkzeugen
sowie das Steuern und Regeln von Spannsystemen mit umfassen.
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Des
Weiteren kann vorteilhafterweise die Verwendung des Werkzeugantriebes
zur Ansteuerung eines Werkzeugkopfes mit zumindest einer betätigbaren
Verstelleinrichtungen dienen. Beispielsweise kann der erfindungsgemäße
rotatorische Werkzeugantrieb in NC-Kopierdrehstationen eingesetzt
werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand einer schematischen Zeichnung näher
erläutert.
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Darin
zeigt:
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1 einen
schematischen Querschnitt eines Werkzeugantriebs.
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Einander
entsprechende Teile sind in der Figur mit denselben Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
den Werkzeugantrieb 1 für Werkzeugmaschinen mit
einer im Inneren hohlen Arbeitsspindel 3 zur Aufnahme eines
Werkzeugkopfs, mit einem Spindelmotor 2 für den
Drehantrieb und einer koaxial innerhalb der Arbeitsspindel 3 angeordneten Steuerspindel 4.
Ein Planetengetriebe nimmt die Drehbewegung von der Arbeitsspindel 3 ab
und führt diese der Steuerspindel 4 zu. Das Planetengetriebe umfasst
eine Riemenantriebseinheit 10 aus mehreren miteinander
in Wirkverbindung stehenden Zahnriemenrädern 121, 122, 131, 132, 141, 142, 151, 152, 161 und 162 und
Zahnriemen 123, 133, 143, 153 und 163.
Zentraler Bestandteil der Riemenantriebseinheit 10 ist
ein als planetenradseitiges erstes Zahnriemenrad 142 ausgebildetes
Planetenrad, das auf einem Orbitarm 22 radial von einer
vom Stellmotor 5 angetriebenen Stellachswelle 23 beabstandet
angeordnet ist und um die Stellachswelle 23 rotierbar ist.
Ein mit der Planetenradwelle 20 in Wirkverbindung stehender
Stellmotor 5 regelt als Differentialgetriebe die relative
Verdrehung von Arbeitsspindel 3 und Steuerspindel 4.
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Durch
den Drehantrieb wird über die Riemenantriebseinheit 10 mittels
eines spindelmotorseitigen Zahnriemenrades 121 und einem
spindelmotorseitigen Zahnriemen 123 eine Drehbewegung über ein
erstes arbeitsspindelseitiges Zahnriemenrad 122 auf die
Arbeitsspindel 3 übertragen. Auf der Arbeitsspindel 3 ist
dabei ein zweites arbeitsspindelseitiges Zahnriemenrad 131 als
Abzweigrad fixiert, von dem die Drehbewegung der Arbeitsspindel 3 abgegriffen wird
und das zentralradseitige erste Zahnriemenrad 132 über
einen arbeitsspindelseitigen Zahnriemen 133 antreibt. Das Übersetzungsverhältnis
bestimmt die Differentialübersetzung des Antriebes. Das
Zentralrad 13 besteht demnach aus zwei Zahnriemenrädern 132 und 141,
die mit einer Zentralradhülse 134 festverbunden
und mit in der Figur nicht dargestellten Wälzlagern gelagert
sind. Auf der Zentralradhülse 134 zwischen den
beiden Zahnriemenrädern 132 und 141 ist
ein Hohlrad 14 mit zwei weiteren Zahnriemenrädern 152 und 161 gelagert.
Die Drehbewegung kann so mittels des Zentralrades 13 innerhalb des
Hohlrades 14 durchgeführt werden und steht auf der
Abtriebsseite als Bezugsdrehzahl fluchtend vor dem Differentialantrieb.
Der Differentialantrieb besteht aus einem drehbar gelagertem Orbitarm 22 und dem
ebenfalls wälzgelagerten gestuften Planetenrad 15 mit
zwei weiteren Zahnriemenrädern 142 und 151. Die
Stufe entspricht dem umgekehrten Verhältnis der Übersetzung
zwischen dem zweiten arbeitsspindelseitigen Zahnriemenrad 131 als
Abzweigrad und dem Zentralrad 13. Die Drehbewegung des
Zentralrades 13 wird mittels eines zentralradseitigen Zahnriemens 143 auf
ein planetenradseitiges erstes Zahnriemenrad 142 als erste
Stufe des Planetenrades 15 übertragen und drehzahlgleich
vom planetenradseitigen zweiten Zahnriemen rad 151 der zweiten
Stufe des Planetenrades 15 mittels eines planetenradseitigen
Zahnriemens 153 auf das hohlradseitige erste Zahnriemenrad 152 des
Hohlrades 14 übertragen. Auf dem breiten Hohlrad 14 wird
mit einem weiteren hohlradseitigen Zahnriemen 163 die Drehbewegung auf
das steuerspindelseitige Zahnriemenrad 162 und so auf die
Steuerspindel 4 übertragen. Durch die gleichen Übersetzungen
ins Langsame und zurück ins Schnelle laufen beide Spindeln
synchron, solange der Differentialantrieb nicht aktiv ist.
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Zur
Erzeugung der Stellgrößen wird über den Orbitarm 22 eine
umkreisende Drehbewegung zentrisch zum Zentralrad 13 und
Hohlrad 14 ausgeführt. Dadurch werden zwei unterschiedlich übersetzte Riementriebe
mit unterschiedlichen Umlaufstecken auf- oder abgewickelt. Die daraus
abgeleiteten Strecken ergeben, je nach Drehrichtung, voreilende
oder nacheilende Winkelabweichungen zur Arbeitsspindel. Der Differentialantrieb
kann unendlich vor oder zurückgedreht werden. Die Differenzstellung
kann in jeder Position durch anhalten des Differentialantriebes
drehzahlsynchronisiert werden.
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Bei
diesem Antrieb werden enorm hohe Drehzahlen bis über 10000
U/min erreicht, bei denen immer noch eine absolut reproduzierbare
Zustellung erzielt wird. Hierdurch wird eine feinfühlige
Zu- und Rückstellung von Schneidwerkzeugen bei mit hohen Drehzahlen
rotierenden Spindeln gewährleistet. Auch werden dabei die
Spindeln nicht, wie bei herkömmlichen Antrieben, axial
durch Stellkräfte belastet und sind daher steif und präzise.
Der erfindungsgemäße Antrieb ist frei steuerbar,
wobei nahezu beliebig kleine Differenzen in Werkzeuge eingeleitet werden,
eine Hubbegrenzung existiert nicht. Dabei sind alle Teile des Werkzeugantriebs
wuchtbare rotatorische Elemente. Die Flieh- und Zerspankräfte
werden im Werkzeug kompensiert.
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- 1
- Werkzeugantrieb
- 10
- Riemenantriebseinheit
- 13
- Zentralrad
- 14
- Hohlrad
- 15
- Planetenrad
- 121
- spindelmotorseitiges
Zahnriemenrad
- 122
- erstes
arbeitsspindelseitiges Zahnriemenrad
- 123
- spindelmotorseitiger
Zahnriemen
- 131
- zweites
arbeitsspindelseitiges Zahnriemenrad
- 132
- zentralradseitiges
erstes Zahnriemenrad
- 133
- arbeitsspindelseitiger
Zahnriemen
- 134
- Zentralradhülse
- 141
- zentralradseitiges
zweites Zahnriemenrad
- 142
- planetenradseitiges
erstes Zahnriemenrad
- 143
- zentralradseitiger
Zahnriemen
- 151
- planetenradseitiges
zweites Zahnriemenrad
- 152
- hohlradseitiges
erstes Zahnriemenrad
- 153
- planetenradseitiger
Zahnriemen
- 161
- hohlradseitiges
zweites Zahnriemenrad
- 162
- steuerspindelseitiges
Zahnriemenrad
- 163
- hohlradseitiger
Zahnriemen
- 2
- Spindelmotor
- 20
- Planetenradwelle
- 22
- Orbitarm
- 23
- Stellachswelle
- 3
- Arbeitsspindel
- 4
- Steuerspindel
- 5
- Stellmotor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2257877
A1 [0003]
- - DE 19960350 A1 [0004]