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Anwendungsgebiet und Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Arbeitsspindel für eine Werkzeugmaschine mit einem Spindelhauptkörper, der zur drehbaren Lagerung um eine Spindelhauptachse ausgebildet ist, mit einer am Spindelhauptkörper vorgesehen verstellbaren Spanneinrichtung zur Aufnahme eines Werkstücks oder Werkzeugs und mit einem gegenüber dem Spindelhauptkörper axial beweglichen und drehfest zum Spindelhauptkörper geführten Zugorgan. Dabei ist die Spanneinrichtung derart ausgebildet, dass sie durch eine Axialbewegung des Zugorgans gegenüber dem Spindelhauptkörper verstellbar ist. Weiterhin ist ein Getriebe vorgesehen, mittels dessen das Zugorgan axial gegenüber dem Spindelhauptkörper verstellbar ist.
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Gattungsgemäße Arbeitsspindeln weisen üblicherweise eine über einen elektrischen Stellmotor betriebene Spanneinrichtung auf. Sie sind beispielsweise aus der
DE 10 2005 025 538 A1 , der
WO 2006/034869 A1 und der
DE 10 2007 044 309 A1 bekannt. Den genannten Ausführungsformen aus dem Stand der Technik ist gemein, dass das Getriebe, mittels dessen die axiale Verstellung des Zugorgans gegenüber dem Hauptspindelkörper bewirkt wird, einen Gewindetrieb aufweist. So ist beispielsweise bei der Ausführungsform gemäß der
WO 2006/034869 A1 eine Mutter
8 vorgesehen, die durch eine Relativverdrehung gegenüber einer als Zugorgan bewirkenden Stange
12 die Verlagerung dieser zu einer Spindel
1 drehfesten Stange in axialer Richtung bewirkt.
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Als nachteilig an der aus dem Stand der Technik bekannten Gestaltung wird angesehen, dass die Massenträgheit der gegenüber dem Zugorgan um die Spindelhauptachse drehbar gelagerten Komponenten des Getriebes ein ungewolltes Verstellen der Spanneinrichtung bewirken kann. Wenn beispielsweise der rotierende Spindelhauptkörper hinsichtlich seiner Drehgeschwindigkeit sehr schnell abgebremst wird, kann die Massenträgheit einer solchen drehbaren Komponente, beispielsweise einer auf ein Außengewinde des Zugorgans aufgesetzten Stellmutter mit einem Innengewinde, so groß sein kann, dass die Stellmutter sich gegenüber dem Spindelhauptkörper verdreht und dabei eine ungewollte Axialverlagerung des Zugorgans bewirkt, durch die wiederum die Spanneinrichtung geöffnet wird. Konsequenz wäre im schlimmsten Falle eine Trennung des eingespannten Werkzeugs oder Werkstücks vom Spindelhauptkörper und ein unkontrolliertes Wegschleudern desselben.
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Das genannte Problem tritt auch bei solchen Gestaltungen auf, bei denen im Betrieb eine Zwangskopplung zwischen dem Spindelhauptkörper und den gegenüber dem Spindelhauptkörper drehbar gelagerten Stellmitteln in Form einer Gewindemutter oder Gewindespindel vorgesehen ist, da diese Zwangskopplung, die beispielsweise über Zahnriemen hergestellt sein kann, üblicherweise nicht starr genug ist, um bei einem plötzlichen starken Beschleunigen oder Abbremsen des Spindelhauptkörpers eine ausreichend synchrone Beschleunigung oder Abbremsung der Stellmutter bzw. Stellschraube zu bewirken, welche auf die Axialstellung des Zugorgans wirkt.
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Aufgabe und Lösung
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Arbeitsspindel derart weiterzubilden, dass auch bei schnellem Abbremsen oder Beschleunigen des Spindelhauptkörpers eine ungewollte Axialverlagerung des Zugorgans wirksam verhindert oder zumindest vermindert wird.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass das Getriebe zwei gegenläufige Gewindetriebe aufweist, die jeweils einen Außengewindeabschnitt und einen Innengewindeabschnitt umfassen. Dabei ist jeweils der Innengewindeabschnitt am Zugorgan oder einem gegenüber dem Spindelhauptkörper axial abgestützten und drehbaren Gegenorgan vorgesehen, während der Außengewindeabschnitt jeweils demgegenüber gegenüberliegend am Gegenorgan bzw. am Zugorgan vorgesehen ist.
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Erfindungsgemäß ist demnach vorgesehen, dass zwei um die Spindelhauptachse drehbare Gegenorgane vorgesehen sind, die jeweils über einen der beiden Gewindetriebe, von denen einer rechtsgängig und einer linksgängig ausgebildet ist, mit dem Zugorgan zusammenwirken. Diese beiden Gegenorgane sind als separate Bauteile ausgebildet. Da eines der Gegenorgane über ein Linksgewinde und das andere der Gegenorgane über ein Rechtsgewinde mit dem Zugorgan zusammenwirkt, müssen sie gegenläufig relativ zum Spindelhauptkörper drehen, um eine axiale Verlagerung des Zugorgans zu bewirken.
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Eine gleichgerichtete Drehbewegung der beiden Gegenorgane, wie sie aufgrund der Massenträgheit der Gegenorgane beim beschleunigen oder Abbremsen des Spindelhauptkörpers bewirkt wird, verursacht daher keine axiale Verlagerung des Zugorgans, sondern lediglich gegebenenfalls einen Spannungszustand zwischen den am Zugorgan vorgesehenen gegenläufigen Gewinden. Dieser gegebenenfalls eintretende Spannungszustand bewirkt darüber hinaus, dass auch andere Komponenten der Arbeitsspindel, die ggf. aufgrund ihrer Massenträgheit ein Verstellen der Spanneinrichtung bewirken könnten, hierzu aufgrund der durch den Spannungszustand erhöhten Reibung im Gewindetrieb nicht mehr in der Lage sind.
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Der Spindelhauptkörper der erfindungsgemäßen Arbeitsspindel kann aus verschiedenen im Betrieb bestimmungsgemäß gegeneinander unbeweglichen Teilen zusammengesetzt sein. Die erfindungsgemäß vorgesehenen Gewindetriebe können im einfachsten Falle aus unmittelbar in Berührkontakt miteinander stehenden Innengewindeabschnitten und Außengewindeabschnitten bestehen. Gleichfalls von der Erfindung umfasst sind jedoch auch komplexere Gewindetriebe wie Kugelgewindetriebe und Rollengewindetriebe, insbesondere Planeten rollengewindetriebe.
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Zur Erzielung der beschriebenen Wirkung ist es zunächst nicht erforderlich, dass die beiden Gegenorgane jenseits ihrer Wirkkoppelung über das Zugorgan auch anderweitig miteinander wirkverbunden sind. Bereits die in gleiche Richtung wirkende Massenträgheit der Gegenorgane gemeinsam mit der gegenläufigen Gestaltung der Gewindetriebe bewirkt den Spannungszustand und verhindert oder vermindert die axiale Verlagerung des Zugorgans. Insbesondere von Vorteil ist es jedoch, wenn die Gegenorgane hinsichtlich ihrer Relativbewegung relativ zum Spindelhauptkörper gekoppelt sind, vorzugsweise über ein zwischengeschaltetes Wirkkopplungsglied. Diese Kopplung der Gegenorgane führt dazu, dass die Relativdrehung eines Gegenorgans gegenüber dem Spindelhauptkörper zwangsläufig auch eine Drehung des anderen Gegenorgans gegenüber dem Spindelhauptkörper in entgegengesetzte Drehrichtung bewirkt.
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Eine mögliche Gestaltung einer erfindungsgemäßen Arbeitsspindel sieht vor, dass der Spindelhauptkörper einen oder mehrere mitrotierende Elektromotoren aufweist, um durch diese eine Verdrehung der Gegenorgane gegenüber dem Spindelhauptkörper zu bewirken und dadurch eine axiale Verlagerung des Zugorgans gegenüber dem Spindelhauptkörper und eine damit verbundene Verstellung der Spanneinrichtung zu erzielen. Bevorzugt ist es jedoch, wenn ein gegenüber dem Spindelhauptkörper um die Spindelhauptachse drehbar gelagertes Stellorgan vorgesehen ist, wobei das Getriebe dafür ausgebildet ist, bei einer Rotation des Stellorgans gegenüber dem Spindelhauptkörper gegenläufige Drehbewegungen der Gegenorgane gegenüber dem Spindelhauptkörper zu bewirken.
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Mit einem solchen um die Spindelhauptachse drehbar gelagerten Stellorgan wird es möglich, über einen externen, nicht mit dem Spindelhauptkörper mitdrehenden Stellmotor Einfluss auf die Axialstellung des Zugorgans zu nehmen. Zwar führt die Gestaltung mit einem solchen Stellorgan wiederum dazu, dass dessen Massenträgheit ein ungewolltes axiales Verlagern des Zugorgans beim Abbremsen oder Beschleunigen des Spindelhauptkörpers bewirken könnte. Dies fällt jedoch nicht ins Gewicht, da die Massenträgheit des Stellorgans wesentlich geringer ausfallen kann als die eines Gegenorgans, welches aufgrund seiner Gestaltung mit einem Innen- oder Außengewinde recht massiv und schwer ausgebildet sein muss. Das Stellorgan kann demgegenüber zumindest zum überwiegenden Teil aus leichten Materialien bestehen, die hinsichtlich des bewirkten Massenträgheitsmoments von Vorteil sind. Hinzu kommt, dass die Massenträgheit des Stellorgans aufgrund des durch die beiden Gewindetriebe sich bei schnellem Beschleunigen oder Abbremsen einstellenden Spannungszustands im Zugorgan keine nennenswerte negative Verlagerungwirkung auf das Zugorgan bewirken kann.
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Das Stellorgan ist vorzugsweise mittels des Getriebes derart mit den Gegenorganen gekoppelt, dass bei synchronisierter Drehgeschwindigkeit des Spindelhauptkörpers und des Stellorgans keine Verlagerung des Zugorgans in axialer Richtung erfolgt. Es sind jedoch auch Gestaltungen denkbar, bei denen axialer Stillstand des Zugorgans bei einem anderen Geschwindigkeitsverhältnis zwischen Spindelhauptkorper und Stellorgan als 1:1 erreicht wird.
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Eine besonders einfache und vorteilhafte Bauweise wird erzielt, wenn die Außengewindeabschnitte beider Gewindetriebe am Zugorgan vorgesehen sind und die Innengewindeabschnitte an als Stellmuttern ausgebildeten Gegenorganen vorgesehen sind. Die Stellmuttern sind dabei gegenüber dem Spindelhauptkorper axial abgestützt, wobei eine besonders kompakte Bauweise erzielt wird, wenn die Stellmuttern jeweils in einer Axialrichtung unmittelbar am Spindelhauptkorper abgestützt sind und sich in der anderen Axialrichtung gegeneinander abstützen.
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Zur gleichzeitigen Erzeugung einer gegenläufigen Drehbewegung gegenüber dem Spindelhauptkörper stehen die Stellmuttern vorzugsweise jeweils mit einem gemeinsamen Wirkkopplungsglied in unmittelbarer Wirkverbindung. Auch hierdurch wird eine besonders einfache Bauweise erreicht. Bei dem Wirkkopplungsglied handelt es sich vorzugsweise um ein Zahnrad, welches insbesondere vorzugsweise um eine ortsfest zum Spindelhauptkorper ausgerichtete Radialachse drehbar gelagert ist. Obwohl auch eine Ausgestaltung dieses Zahnrades mit einer Stirnverzahnung möglich ist, wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn das Zahnrad als Kegelzahnrad ausgebildet ist, welches mit drehfest mit den Stellmuttern gekoppelten Kegelzahnrädern kämmt. Die an den Stellmuttern vorgesehenen Kegelzahnräder können dabei auch einstückiger Teil der Stellmuttern sein.
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Im Falle einer Gestaltung der Arbeitsspindel mit mitrotierendem Stellmotor kann das Wirkkopplungsglied unmittelbar auf der Rotorwelle des Stellmotors angeordnet sein. Im Falle der Gestaltung mit einem Stellorgan oben beschriebener Art zur Einkopplung eines durch einen externen Stellmotor bewirkten Drehmoments ist es von Vorteil, wenn das Stellorgan mit dem Wirkkopplungsglied in Wirkverbindung steht, wobei das Stellorgan vorzugsweise als mit dem Wirkkopplungsglied kämmendes Zahnrad, insbesondere Kegelzahnrad, ausgebildet ist.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Werkstück- oder Werkzeughaltevorrichtung einer Werkzeugmaschine, die mit einer Arbeitsspindel oben beschriebenen Typs ausgestattet ist.
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Detaillierte Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Weitere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich außer aus den Ansprüchen auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, welches anhand der Figur nachfolgend erläutert wird.
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Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Arbeitsspindel 6, welche um eine Spindelhauptachse 2 gegenüber einem ortsfesten Gestell 8 drehbar gelagert ist. Diese Arbeitsspindel verfügt über einen Spindelhauptkörper 10, der mittels eines Zahnriemens 12 von einem nicht dargestellten Antriebsmotor angetrieben wird. Innerhalb des hohl ausgestalteten Spindelhauptkörpers 10 ist ein Zugorgan 30 angeordnet. Dieses Zugorgan 30 ist hinsichtlich seiner Drehstellung über eine Nut 14 im Spindelhauptkörper 10 und eine darin eingesetzte Passfeder 16 mit dem Spindelhauptkörper 10 drehgekoppelt, so dass eine Relativbewegung zwischen dem Zugorgan 30 und dem Spindelhauptkörper 10 lediglich in Axialrichtung der Spindelhauptachse 2 möglich ist. In nicht näher dargestellter Art und Weise wirkt das Zugorgan 30 am linksseitigen Ende der Arbeitsspindel auf eine Spanneinrichtung 20, deren Spannbacken 22 in Abhängigkeit der axialen Relativstellung des Zugorgans 30 gegenüber dem Spindelhauptkörper 10 in radialer Richtung geöffnet und geschlossen werden. Zur Erzielung einer solchen axialen Bewegung des Zugorgans 30 gegenüber dem Spindelhauptkörper 10 ist ein Stellorgan 40 vorgesehen, welches gegenüber dem Spindelhauptkörper 10 um die Spindelhauptachse 2 drehbar an diesem gelagert ist. Das Stellorgan 40 ist über einen zweiten Zahnriemen 42 mit einem nicht dargestellten Stellmotor gekoppelt, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Überlagerungsgetriebes.
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Die Wirkkopplung zwischen dem Stellorgan 40 und der Axialstellung des Zugorgans 30 ist so beschaffen, dass beim Vorliegen identischer Rotationsgeschwindigkeiten des Spindelhauptkörpers 10 und des Stellorgans 40 ein Stillstand des Zugorgans 30 gegenüber dem Spindelhauptkörper 10 in axialer Richtung bewirkt wird. Wenn das Stellorgan 40 schneller oder langsamer als der Spindelhauptkörper 10 um die Spindelhauptachse 2 rotiert, führt dies zu einer axialen Verlagerung des Zugorgans 30 und damit zu einem Öffnen oder Schließen der Spanneinrichtung 20.
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Die Wirkkopplung zwischen dem Stellorgan 40 und dem Zugorgan 30 erfolgt über ein Getriebe 50. Dieses Getriebe umfasst zwei Gewindetriebe 52a, 52b, die jeweils einen Innengewindeabschnitt 34a, 34b am Zugorgan 30 und ein Innengewindeabschnitt 62a, 62b an zwei als Stellmuttern ausgebildeten Gegenorganen 60a, 60b umfassen. Die Stellmuttern 60a, 60b sind jeweils mit entsprechenden Wälzlagern axial gegenüber dem Spindelhauptkörper 10 abgestützt.
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Ein Unterschied zwischen den beiden Gewindetrieben 52a, 52b besteht darin, dass der durch das Außengewinde 34a und das Innengewinde 62a gebildete Gewindetrieb 52a als Linksgewindetrieb ausgebildet ist, während der durch das Außengewinde 34b und das Innengewinde 62b gebildete Gewindetrieb 52b als Rechtsgewindetrieb ausgebildet ist. Es ist ersichtlich, dass dies dazu führt, dass eine axiale Bewegung des Zugorgans 30 nur möglich ist, wenn die Muttern 60a, 60b gegenüber dem Spindelhauptkörper 10 in gegenläufige Richtungen gedreht werden. Zur Erzeugung dieser unterschiedlichen Drehrichtungen sind die beiden Stellmuttern 60a, 60b über insgesamt drei um jeweils 120° voneinander beabstandet über den Umfang verteilte Wirkkopplungsglieder 70 miteinander gekoppelt, von denen in der Darstellung der Figur nur eines dargestellt ist. Bei nicht dargestellten Varianten hierzu ist auch eine andere Zahl von Wirkkopplungsgliedern möglich, wobei vorzugsweise eine Mehrzahl von Wirkkopplungsgliedern vorgesehen ist und wobei die Wirkkopplungsglieder vorzugsweise über den Umfang gleichmäßig verteilt sind. Die Wirkkopplungsglieder 70 sind jeweils um bezogen auf die Spindelhauptachse 2 radial ausgerichtete Drehachsen 4 gegenüber dem Spindelhauptkörper 10 drehbar gelagert. An der innenliegenden Seite des Wirkkopplungsgliedes 70 ist eine Kegelverzahnung 72 vorgesehen, die permanent mit korrespondierenden Kegelverzahnungen 64a, 64b der Stellmuttern 60a, 60b im Eingriff ist. Hierdurch wird die beschriebene gegenläufige Drehbewegung der Stellmuttern 60a, 60b bewirkt.
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Darüber hinaus weist das Wirkkopplungsglied 70 auch an seiner außenliegenden Seite eine Stirnverzahnung 74 auf, mittels derer es sich im permanenten Eingriff mit dem Stellorgan 40 befindet. Hierdurch wird bewirkt, dass eine Rotation des Stellorgans 40 gegenüber dem Spindelhauptkörper 10 um die Spindelhauptachse 2 eine Rotation des Wirkkopplungsgliedes 70 um dessen Rotationsachse 4 bewirkt. Hierdurch wiederum werden die Stellmuttern 60a, 60b gegenläufig zueinander gegenüber dem Spindelhauptkörper 10 verdreht, wobei dies aufgrund der gegenläufigen Gewindetriebe 52a, 52b eine Bewegung des Zugorgans 30 bezogen auf die Figur nach links oder rechts bewirkt.
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Der besondere Vorteil der gegenläufigen Gewindetriebe 52a, 52b liegt darin, dass eine gemeinsame Relativverdrehung der Stellmuttern 60a, 60b in gleicher Drehrichtung gegenüber dem Spindelhauptkörper 10 keine Verlagerung des Zugorgans 30 bewirken kann. Zu einer solchen gemeinsamen Verdrehung kommt es, wenn der Spindelhauptkörper 10 in hohem Maße beschleunigt oder abgebremst wird. Selbst wenn versucht wird, über das Stellorgan 40 in gleichem Maße die Spindelmuttern 60a, 60b ebenfalls zu beschleunigen bzw. abzubremsen, kommt es doch aufgrund von elastischen Verformungen im System und aufgrund der vergleichsweise hohen Masse der Stellmuttern 60a, 60b zu einer leichten gleichsinnigen Relativverdrehung der Stellmutter 60a und der Stellmutter 60b in Folge des Trägheitsmoments dieser Bauteile. Diese Relativverdrehung ist jedoch aufgrund der gegenläufigen Gewindetriebe 52a, 52b und der Kopplung über das Wirkkopplungsglied 70 sehr begrenzt. Eine gleichsinnige Verdrehung der Stellmuttern 60a, 60b führt unmittelbar zu einem Spannungszustand im Zugorgan 30, der sich lediglich im Bereich zwischen den Außengewinden 34a, 34b auswirkt. Der linksseitig des Außengewindes 34a angeordnete Teil des Zugorgans 30 wird hiervon nicht tangiert, so dass auch die Spanneinrichtung 20 durch die Massenträgheit der Stellmuttern 60a, 60b nicht verstellt wird.
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Zwar kann es aufgrund der Massenträgheit des Stellorgans 40 auch an diesem zu einer geringen Relativverdrehung gegenüber dem Spindelhauptkörper 10 kommen, die Massenträgheit des Stellorgans 40 ist jedoch verglichen mit der Massenträgheit der Stellmuttern 60a, 60b gering, denn aufgrund der Tatsache, dass das Stellorgan 40 nicht Teil der Gewindetriebe 52a, 52b ist, kann das Stellorgan 40 zumindest zum großen Teil aus vergleichsweise leichten Materialien hergestellt sein. Darüber hinaus bewirkt der sich zwischen den Außengewinden 34a, 34b einstellende Spannungszustand im Zugorgan 30, dass das erforderliche Drehmoment zur Verlagerung des Zugorgans 30 während des Bestehens des genannten Spannungszustandes erhöht ist. Dieses erhöhte erforderliche Drehmoment kann vom Massenträgheitsmoment des Stellorgans 40 nicht aufgebracht werden.
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Neben den erläuterten Komponenten kann die dargestellte Arbeitsspindel mit den üblicherweise bei gattungsgemäßen Spindeln vorgesehenen Komponenten ausgebildet sein. Diese umfassen beispielsweise ein Bremse zum schnellen Abbremsen der Arbeitsspindel oder ein in der Figur nur symbolisch dargestelltes Wegmesssystem 80, welches die Axialverlagerung des Zugorgans 30 gegenüber dem Spindelhauptkörper 10 misst und so eine Kontrolle des Spannzustandes ermöglicht.
