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Die vorliegende Erfindung betrifft Schleifmaschinen, die mit einer schwenkbaren Werkzeugspindel ausgestattet sind. Vorzugsweise geht es um Schleifmaschinen, deren Werkzeugspindel mit einer Schleifschnecke zum Schleifen von Zahnrad-Werkstücken bestückt ist.
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Stand der Technik
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In 1 ist eine schematisierte Ansicht eines Teils einer Schleifmaschine des Standes der Technik gezeigt. Man kann in 1 eine schwenkbare Werkzeugspindel 120 in einer horizontalen Lage erkennen. Die Werkzeugspindel 120 umfasst hier ein Spindelgehäuse 121 und einen Spindelmotor, der im Inneren verborgen ist. An der Werkzeugspindel 120 ist eine Schleifschnecke 20 befestigt, die mittels des Spindelmotors um eine Werkzeug-Spindelachse B drehantreibbar ist. Um die Werkzeugspindel 120 schwenken zu können, ist eine Schwenkachse A vorgesehen, die hier senkrecht auf der Zeichenebene steht. Typischerweise umfasst eine solche Schleifmaschine, die mit einer schwenkbaren Werkzeugspindel 120 ausgestattet ist, einen Schwenkteller, der in 1 durch einen gestrichelten Kreis K angedeutet ist. Der Schwenkteller lässt sich in der Zeichenebene um die Schwenkachse A drehen. Die Schwenkachse A liegt im Zentrum des Kreises K. Die schwenkbare Werkzeugspindel 120 ist beispielsweise an einem Maschinenständer 101 angeordnet, der andeutungsweise im Hintergrund der 1 zu erkennen ist.
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Das zu schleifende Werkstück ist nicht in 1 gezeigt, aber es ist die Lage der vertikal verlaufenden Werkstück-Spindelachse C gezeigt, die sich beim Stand der Technik, d. h. in 1, mit der Schwenkachse A schneidet. Das Werkstück sitzt typischerweise auf einer Werkstückspindel (nicht gezeigt), die sich um die Werkstück-Spindelachse C drehantreiben lässt.
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Um ungleiche Drehmomente, die bei dieser bekannten Konstellation an der Werkzeugspindel 120 wirken, abzufangen, kann der Schwenkteller, respektive die Schwenkachse A, während des Schleifens des Werkstücks mechanisch geklemmt werden. In diesem Fall kann die Schwenkachse A quasi nur als Einstellachse eingesetzt werden. D. h. die Schwenkachse A kann nicht dynamisch sondern nur statisch genutzt werden.
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Wenn man die Schwenkachse A als bewegte Achse während des Schleifens einsetzen will, so ist ein mechanisches Klemmen nicht sinnvoll. In diesem Fall ist ein Antriebsmotor erforderlich, der die Schwenkachse A in Position halten und sie auch dynamisch bewegen kann. Die Größe des Antriebsmotors hängt vom aufzubringenden Drehmoment ab. Dieses temporäre Halten kann zum Beispiel dadurch erfolgen, dass der Antriebsmotor, der zum Schwenken des Schwenktellers dient, einen entsprechend großen Haltestrom vorgibt. Das Vorgeben eines Haltestroms erhöht jedoch den Stromverbrauch der Schleifmaschine.
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Es stellt sich nun die Aufgabe einen technischen Ansatz zum Betreiben einer Schleifmaschine bereit zu stellen, der es ermöglicht die Schwenkachse dynamisch zu betreiben. Außerdem soll die Schleifmaschine wirtschaftlich in der Anschaffung und im Betrieb sein.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schleifmaschine mit schwenkbarer Werkzeugspindel gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche.
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Die Erfindung basiert auf dem Ansatz die Gesamtkonstellation der Schleifmaschine so zu ändern, dass die Schwenkachse, die zum Schwenken der Werkzeugspindel dient, seitlich gegenüber der Werkstück-Spindelachse versetzt angeordnet ist.
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Außerdem wird eine Konstellation gewählt, bei welcher die Schwenkachse zum Schwenken der Werkzeugspindel im Bereich des Masseschwerkpunktes der Kombination aus Werkzeugspindel und Werkzeug liegt.
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Vorzugsweise sind diese beiden Aspekte bei allen Ausführungsformen so miteinander kombiniert, dass die Schwenkachse seitlich gegenüber der Werkstück-Spindelachse versetzt angeordnet ist und dass die Schwenkachse im Bereich des Masseschwerkpunktes der Kombination aus Werkzeugspindel und Werkzeug liegt.
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Vorzugsweise haben Ausführungsformen, bei denen die Schwenkachse direkt oder indirekt eine Shiftachse trägt, einen asymmetrischen Shiftweg der Shiftachse.
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Die Schleifmaschine der Erfindung umfasst eine schwenkbare Werkzeugspindel und sie ist mit einer Werkstückspindel ausgestattet, die zum Aufnehmen eines Zahnrad-Werkstücks und zum Drehantreiben des Zahnrad-Werkstücks um eine Werkstück-Spindelachse ausgelegt ist. Die Werkzeugspindel ist zum Aufnehmen eines Schleifwerkzeugs und zum Drehantreiben des Schleifwerkzeugs um eine Werkzeug-Spindelachse ausgelegt und sie ist so von einer Schwenkachse getragen, dass die Werkzeugspindel samt Schleifwerkzeug um die Schwenkachse schwenkbar ist. Die Schwenkachse kann bei allen Ausführungsformen direkt oder indirekt eine Shiftachse tragen. Es sind aber auch Ausführungsformen möglich, die ohne eigentliche Shiftachse arbeiten. Bei solchen Ausführungsformen wird die Shiftbewegung parallel zur Werkzeugrotationsachse typischerweise durch das überlagerte Bewegen anderer Linearachsen erzeugt. In diesem Fall ist die Schwenkachse direkt oder indirekt von einer oder von mehreren Linearachsen getragen.
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Die Schleifmaschine der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Schwenkachse relativ zur Werkstück-Spindelachse seitlich versetzt ist und sich deshalb die Schwenkachse und die Werkstück-Spindelachse nicht schneiden.
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Die Tatsache, dass sich die Schwenkachse und die Werkstück-Spindelachse nicht schneiden, kann auch wie folgt ausgedrückt werden. Die Schwenkachse und die Werkstück-Spindelachse kreuzen sich im 3-dimensionalen Raum und sie schneiden sich nur dann, wenn man die Schwenkachse in die Ebene der Werkstück-Spindelachse Ebenen projiziert.
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Vorzugsweise hat die Werkzeugspindel samt Schleifwerkzeug einen Masseschwerpunkt, der unmittelbar im Bereich der Schwenkachse liegt. Falls die Schwenkvorrichtung der Schwenkachse keine Shiftachse trägt, so handelt es sich bei dem Masseschwerpunkt um einen statischen Punkt, der fix ist in Bezug zur Werkzeugspindel samt Schleifwerkzeug. Falls die Schwenkvorrichtung der Schwenkachse eine Shiftachse trägt, so handelt es sich bei dem Masseschwerpunkt um einen Punkt, der sich je nach Shiftposition der Werkzeugspindel samt Schleifwerkzeug verschieben kann.
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Falls der Masseschwerpunkt unmittelbar im Bereich der Schwenkachse liegt, ergibt sich eine ausbalancierte Konstellation der Werkzeugspindel samt Werkzeug. Als ausbalancierte Konstellation wird eine Anordnung bezeichnet, bei der die Schwenkachse exakt im zentralen Masseschwerpunkt der Schwenkvorrichtung samt Werkzeugspindel und Schleifwerkzeug liegt, oder die Schwenkachse liegt unmittelbar im Bereich des Masseschwerpunkts liegt.
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Es ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, dass der Antrieb der Schwenkachse kleiner dimensioniert werden kann als bisher, da es nur noch erforderlich ist kleinere Drehmomente auszugleichen. Der Antrieb der Schwenkachse kann kleiner ausgelegt werden, was zu einer verbesserten Energieeffizienz der Maschine führt.
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Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, dass aufgrund der ausbalancierten Konstellation der Werkzeugspindel samt Werkzeug keine Haltekräfte oder kleinere Haltekräfte zum Halten der Schwenkachse erforderlich sind. Durch die ausbalancierte Konstellation der Erfindung erhält man einen zusätzlichen Freiheitsgrad, der es ermöglicht jederzeit Schwenkbewegungen durchzuführen, wobei der entsprechende Antrieb kleiner dimensioniert sein kann als bei bisherigen Lösungen. Die Erfindung ermöglicht somit den Übergang von einem Bearbeitungsansatz, der bisher statischer Natur war, zu einem dynamischen Bearbeitungsansatz.
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Die Erfindung lässt sich z. B. in Verzahnungsschleifmaschinen einsetzen.
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Die Erfindung lässt sich vor allem in Verzahnungsschleifmaschinen einsetzen, die zum schleifenden Bearbeiten von Gerad- und Schrägverzahnung ausgelegt sind. Insbesondere geht es hier um Schleifmaschinen, die zum kontinuierlichem Wälz- oder Profilschleifen ausgelegt sind.
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Die Erfindung lässt sich vor allem in Verzahnungsschleifmaschinen einsetzen, die zum schleifenden Bearbeiten von Werkstücken ausgelegt sind, die in der Verzahnungsschleifmaschine an einer Werkstückspindel mit vertikaler Rotationsachse angeordnet sind und die eine Werkzeugspindel mit Schleifwerkzeug (vorzugsweise mit Schleifschnecke) umfassen, die um eine senkrecht zur Werkstück-Spindelachse stehende Schwenkachse geschwenkt werden kann.
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Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, dass die Maschinenbreite kleiner dimensioniert werden kann, wenn die Werkzeugspindel mit Schleifwerkzeug z. B. nach links versetzt angeordnet ist. Das liegt daran, dass das relativ lange Ende der Schleifspindel, respektive des Gehäuses der Schleifspindel, weniger weit über den Schlitten der Shiftachse heraus ragt.
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Vorzugsweise ist die Shiftachse bei allen Ausführungsformen symmetrisch zur Werkstück-Spindelachse angeordnet.
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Vorzugsweise kann die Schlittenbreite der Shiftachse bei allen Ausführungsformen reduziert werden.
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Die Schlittenbreite, respektive der Shiftweg der Shiftachse kann bei allen Ausführungsformen asymmetrisch sein.
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Die Bezugszeichenliste ist Bestandteil der Offenbarung.
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ZEICHNUNGEN
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Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
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1 zeigt eine schematische Vorderansicht einer Werkzeugspindel mit Schleifschnecke, wie sie in vorbekannten Schleifmaschinen zum Einsatz kommt;
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2A zeigt eine schematische Vorderansicht einer Werkzeugspindel mit Schleifschnecke, die gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit ihrem Masseschwerkpunkt unmittelbar im Bereich einer Schwenkachse schwenkbar gelagert ist und bei der die Werkstück-Spindelachse relativ zur Schwenkachse seitlich versetzt ist;
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2B zeigt eine schematische Vorderansicht einer Werkzeugspindel mit Schleifschnecke, die gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung eine Shiftachse umfasst, wobei in der gezeigten Situation die Werkzeugspindel mit Schleifschnecke an einem rechten Ende der Shiftachse sitzt;
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2C zeigt eine schematische Vorderansicht der zweiten Ausführungsform der 2B, wobei in der gezeigten Situation die Werkzeugspindel mit Schleifschnecke in etwa in der Mitte der Shiftachse sitzt;
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2D zeigt eine schematische Vorderansicht der zweiten Ausführungsform der 2B, wobei in der gezeigten Situation die Werkzeugspindel mit Schleifschnecke an einem linken Ende der Shiftachse sitzt;
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3A zeigt eine schematische Vorderansicht einer Werkzeugspindel mit Schleifschnecke, die gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung eine Shiftachse umfasst, wobei unterhalb der Schleifschnecke ein Zahnrad-Werkstück gezeigt ist;
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3B zeigt eine schematische Vorderansicht der Werkzeugspindel mit Schleifschnecke nach 3A, wobei beispielhafte Details der Shiftachse gezeigt sind;
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4 zeigt eine schematische Vorderansicht einer Schleifmaschine der Erfindung;
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5A zeigt ein schematisches Diagramm, in dem das Drehmoment der Schwenkachse einer konventionellen Maschinenkonstellation über den Shiftweg der Shiftachse aufgetragen ist;
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5B zeigt ein schematisches Diagramm, in dem das Drehmoment der Schwenkachse einer erfindungsgemäßen Maschinenkonstellation über den Shiftweg der Shiftachse aufgetragen ist.
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Detaillierte Beschreibung
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung werden Begriffe verwendet, die auch in einschlägigen Publikationen und Patenten Verwendung finden. Es sei jedoch angemerkt, dass die Verwendung dieser Begriffe lediglich dem besseren Verständnis dienen soll. Der erfinderische Gedanke und der Schutzumfang der Patentansprüche soll durch die spezifische Wahl der Begriffe nicht in der Auslegung eingeschränkt werden. Die Erfindung lässt sich ohne weiteres auf andere Begriffssysteme und/oder Fachgebiete übertragen. In anderen Fachgebieten sind die Begriffe sinngemäß anzuwenden.
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Anhand der eingangs beschriebenen 1 kann man erkennen, dass der Masseschwerpunkt MP bei vorbekannten Maschinen nicht mit dem Durchtrittspunkt der Schwenkachse A zusammenfällt. Da der Spindelmotor und das Spindelgehäuse 121 relativ schwer sind, kann der Masseschwerpunkt MP, wie in 1 angedeutet, z. B. rechts vom Durchtrittspunkt der Schwenkachse A liegen. Außerdem schneiden sich die Schwenkachse A und die Werkstück-Spindelachse C.
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Der Begriff des Masseschwerpunkts MP, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf denjenigen Punkt, in dem das Gewicht derjenigen Teile der Werkzeugspindel 120 samt Werkzeug 20, die sich rechts vom Masseschwerpunkt MP befinden, gleich ist wie das Gewicht derjenigen Teile der Werkzeugspindel 120 samt Werkzeug 20, die sich links vom Masseschwerpunkt MP befinden. Der Masseschwerpunkt MP ist somit das mit der Masse gewichtete Mittel der Positionen aller Massepunkte der Werkzeugspindel 120 samt Werkzeug 20.
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Mit anderen Worten ausgedrückt, befindet sich die Werkzeugspindel 120 samt Werkzeug 20 in einem exakt ausbalancierten Zustand, wenn man eine Achse senkrecht zur Zeichenebene der 1 durch den Masseschwerpunkt MP legt und wenn die Werkzeugspindel 120 samt Werkzeug 20 in dieser Position verharrt.
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Falls ein Schwenktisch 122 als Schwenkeinrichtung zum Einsatz kommt, der eine Shiftachse und eine Werkzeugspindel 120 samt Werkzeug 20 trägt, so ist der Masseschwerpunkt MP das mit der Masse gewichtete Mittel der Positionen aller Massepunkte der Schwenktischs 122, der Shiftachse, der Werkzeugspindel 120 und des Werkzeugs 20.
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Anhand der 2A wird nun ein erstes Beispiel der Erfindung anhand einer ersten beispielhaften Ausführungsform beschrieben. Bei dieser ersten Ausführungsform trägt die Schwenkachse A, respektive ein Schwenkteller (hier nicht gezeigt) der Schwenkachse A, lediglich eine Werkzeugspindel 120 und ein Werkzeug 20.
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Anhand der 2A werden die beiden Schritte erläutert, die zur erfindungsgemäßen Konstellation geführt haben. In 2A ist eine beispielhafte erfindungsgemässe Konstellation gezeigt, bei welcher die Schwenkachse A ihren Durchtritt durch die Werkzeugspindel 120 samt Werkzeug 20 exakt im Masseschwerpunkt MP hat. In diesem Idealfall gilt die Aussage: A = MP.
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Allgemeiner ausgedrückt, kann der Durchtritt der Schwenkachse A bei allen Ausführungsformen unmittelbar im Bereich des zentralen Masseschwerpunkts liegen. Es gilt daher die allgemeinere Aussage: A ~ MP.
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Anhand der 2A ist zu erkennen, dass sich mit dem ausbalancierten Lagern der Werkzeugspindel 120 samt Werkzeug 20 die Lage der Werkzeugspindel 120 relativ zur Lage des Schwenktischs, respektive der Schwenkachse A verschiebt. Die Lage des Schwenktischs ist hier durch einen gestrichelten Kreis K – wie auch in 1 – angedeutet.
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Außerdem sollte möglichst das Werkzeug 20 mittig zu dem zu schleifenden Werkstück 10 angeordnet sein, damit problemlos mit allen Bereichen des Werkzeugs 20 alle Bereiche des Werkstücks 10 erreichbar und bearbeitbar sind. Daher wird ein Achsversatz ΔA2 vorgesehen, wie im Folgenden beschrieben.
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Der Versatz zwischen der konventionellen Position der Werkzeugspindel 120 in 1 und der neuen Position der Werkzeugspindel 120 in 2A ist mit dem Bezugszeichen ΔA1 bezeichnet und durch einen Blockpfeil angedeutet. Bei den in den 1 und 2A gezeigten Konstellationen sind die Position des Maschinenständers 101 und die Lage der Schwenkachse A samt Schwenkteller (durch den Kreis K angedeutet) gleich geblieben. In 2A wurden lediglich die Werkzeugspindel 120 samt Werkzeug 20 relativ zur Position der Schwenkachse A um ΔA1 und die Lage der Werkstück-Spindelachse C um ΔA2 nach links verschoben. Das Verlagern der Werkstück-Spindelachse C relativ zur Lage der Schwenkachse A wird im Folgenden beschrieben. ΔA1 kann bei allen Ausführungsformen gleich ΔA2. ΔA1 und ΔA2 können bei allen Ausführungsformen aber auch unterschiedliche Werte haben.
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Anstatt eine Gesamtkonstellation zu wählen, bei der sich die Schwenkachse A und die Werkstück-Spindelachse C weiterhin schneiden (wie in 2A gezeigt), wird gemäß Erfindung der Werkstück-Spindelachse C gegenüber der Schwenkachse A eine andere Position zugeordnet.
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Gemäß Erfindung wird bei allen Ausführungsformen eine Gesamtkonstellation bereit gestellt, bei welcher die Schwenkachse A relativ zu der Werkstück-Spindelachse C einen seitlichen Versatz ΔA2 aufweist, wie in 2A und in 3A gut zu erkennen ist. In den 2A bis 2D und in 3A ist deutlich zu erkennen, dass sich die Schwenkachse A und die Werkstück-Spindelachse C zwar kreuzen, aber nicht schneiden. Diese Aussage gilt bei Ausführungsformen mit einer Shiftachse Sh, die ein Schwenkachse A trägt, primär in einer Grund- oder Nullstellung. Je nach Shiftweg Shw der Shiftachse Sh kann die entsprechende Maschine nämlich temporär eine Lage einnehmen, bei der sich die Schwenkachse A und die Werkstück-Spindelachse C schneiden.
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Die Schwenkachse A und die Werkstück-Spindelachse C schneiden sich jedoch stets in einer gemeinsamen Ebenenprojektion. Die genannte Ebenenprojektion steht hier senkrecht zur Zeichenebene. Die entsprechende Ebene kann z. B. die Ebene sein, in der die Werkstück-Spindelachse C liegt.
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Vorzugsweise verläuft die Schwenkachse A bei allen Ausführungsformen in der genannten Ebenenprojektion senkrecht zur der Werkstück-Spindelachse C, wie man der 2A bis 2D, 3A und 4 entnehmen kann. Diese beiden Achsen A und C können bei allen Ausführungsformen in einer gemeinsamen Ebenenprojektion aber auch schräg zueinander verlaufen.
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Um eine schleifende Bearbeitung eines Zahnrad-Werkstücks 10 zu ermöglichen (in 3A ist beispielhaft ein geradverzahntes Stirnrad-Werkstück 10 gezeigt), muss die Schleifmaschine 100 dazu ausgelegt sein mehrere Bewegungen im 3-dimensionalen Raum in kontrollierter Art und Weise auszuführen.
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Es kommt daher vorzugsweise bei allen Ausführungsformen eine Shiftachse Sh zum Einsatz, die zum Querverschieben der Werkzeugspindel 120 samt Schleifwerkzeug 20 in einer Vertikalebene ausgelegt ist, die senkrecht zu der Schwenkachse A steht. Das Querverschieben erfolgt entlang eines Shiftweges Shw. Die genannte Vertikalebene verläuft bei den Darstellungen der 2A–2D, 3A, 3B und 4 parallel zur Zeichenebene.
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In den 2B–2D ist ein Linearschlitten 124 der Shiftachse andeutungsweise in drei verschiedenen Shiftpositionen zu erkennen. In 3A ist auch ein Linearschlitten 124 zu erkennen. In 3B sind Details einer beispielhaft gezeigten Shiftachse Sh gezeigt. Bei den in den 2B–2D, 3A und 3B sowie in 4 gezeigten Ausführungsformen sitzt die Shiftachse Sh auf einem Schwenkteller 122, der um die Schwenkachse A drehbar gelagert ist. Der Schwenkteller 122 liegt vorzugsweise bei allen Ausführungsformen konzentrisch zu der Schwenkachse A.
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Die Shiftachse Sh ist vorzugsweise bei allen Ausführungsformen als Linearschlitten 124 ausgeführt, der z. B. zwei Linearführungen 123 umfassen kann, wie in 3B angedeutet. Details einer Shiftachse Sh und solcher Linearschlitten 124 sind hinlänglich bekannt und es werden hier daher keine weiteren Angaben gemacht.
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Zusätzlich zu der Querverschiebung entlang des Shiftweges Shw, die hier mittels der Shiftachse Sh ermöglicht wird, sind typischerweise weitere kontrollierte Bewegungen im 3-dimensionalen Raum erforderlich. Dabei geht es im Prinzip um Relativbewegungen des Schleifwerkzeugs 20 in Bezug zum Zahnrad-Werkstück 10. Es ist für die Erfindung unerheblich, ob z. B. das Schleifwerkzeug 20 bewegt und das Zahnrad-Werkstück 10 nur um die Werkstück-Spindelachse C drehangetrieben wird, oder ob z. B. auch das Zahnrad-Werkstück 10 (Linear-)Bewegungen ausführen kann.
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In 4 ist eine bevorzugte Konstellation einer Schleifmaschine 100 der Erfindung gezeigt. Wie bereits beschrieben, umfasst die Schleifmaschine 100 der Erfindung eine Werkzeugspindel 120, die vorzugsweise bei allen Ausführungsformen so in Bezug zu der Schwenkachse A angeordnet ist, dass die Schwenkachse A die Werkzeugspindel 120 unmittelbar im Bereich des Masseschwerpunktes MP durchdringt. In jedem Fall weist die Schwenkachse A einen relativen seitlichen Versatz gegenüber der Lage der Werkstück-Spindelachse C auf. Wie bereits zuvor erwähnt, kann bei allen Ausführungsformen ein Schwenkteller 122 zum Einsatz kommen, der einen Linearschlitten 124 trägt. Der Linearschlitten 124 ist Teil der Shiftachse Sh.
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Zusätzlich kann die Schleifmaschine 100 der Erfindung bei allen Ausführungsformen drei weitere Achsen X, Y, Z aufweisen, die als Linearachsen ausgelegt sind.
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Eine erste dieser weiteren Achsen, hier als Y-Achse bezeichnet, erstreckt sich im gezeigten Beispiel parallel zu der Werkstück-Spindelachse C, wie in 4 gezeigt. Diese Y-Achse kann z. B. an einem Maschinenständer 101 der Schleifmaschine 100 angeordnet sein. In 4 ist zu erkennen, dass die Y-Achse z. B. zwei Linearführungen 102 umfassen kann. Die Y-Achse am Maschinenständer 101 trägt hier die Schwenkachse A und die Schwenkachse A trägt wiederum die Shiftachse Sh sowie die Werkzeugspindel 120 samt Werkzeug 20. Details einer solchen Y-Linearachse sind hinlänglich bekannt und es werden hier daher keine weiteren Angaben gemacht.
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Die Y-Achse dient dazu einen Hub (Schleifhub parallel zur C-Achse) auszuführen. Die Y-Achse kann bei allen Ausführungsformen, wie in 4 gezeigt, in den Maschinenständer 101 integriert sein, der auch die Werkzeugspindel 120 trägt. Die Y-Achse kann bei allen Ausführungsformen aber auch im Bereich der Werkstückspindel 110 angeordnet sein, um die Werkstückspindel 110 samt Zahnrad-Werkstück 10 parallel zur C-Achse verschieben zu können.
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Eine zweite dieser weiteren Achsen, hier als Z-Achse bezeichnet, erstreckt sich beispielsweise parallel zu der Schwenkachse A. Bei der Darstellung der 4 steht die entsprechende Z-Achse senkrecht zur Zeichenebene. Diese Z-Achse kann z. B. eine radiale Zustellbewegung des Ständers 101 in Bezug zum Zahnrad-Werkstück 10 ermöglichen. In 4 ist zu erkennen, dass die Z-Achse z. B. zwei Linearführungen 103 umfassen kann. Details einer solchen Z-Linearachse sind hinlänglich bekannt und es werden hier daher keine weiteren Angaben gemacht.
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Die X-Achse einer solchen Schleifmaschine 100 kann hier parallel zur Zeichenebene verlaufen. In der gezeigten Momentaufnahme liegt die Werkzeug-Spindelachse B parallel zur X-Achse. Wenn sich die Shiftachse Sh, wie in 4 beispielhaft gezeigt, auf dem Schwenkteller 122 befindet, dann ist die X-Achse nicht zwingend erforderlich. Die Linearbewegung parallel zur X-Achse kann z. B. durch das lineare Bewegen der Werkstückspindel 110 oder durch das lineare Bewegen des Ständers 101 relativ zur Werkstückspindel 110 realisiert werden. Auch derartige Anordnungen sind hinlänglich bekannt.
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Die drei weiteren Achsen X, Y, Z bilden vorzugsweise bei allen Ausführungsformen ein kartesisches Koordinatensystem, wie in 4 gezeigt.
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Je nach Ausführungsform, kann die Schwenkachse A, respektive der Schwenkteller 122, mehrere Komponenten tragen. Bei den Ausführungsformen nach 2B bis 2D, 3A, 3B und nach 4 trägt der Schwenkteller 122 z. B. die Komponenten der Shiftachse Sh und die Werkzeugspindel 120 samt Werkzeug 20. In diesem Fall wird darauf geachtet, dass die Vorgabe der exakt ausbalancierten Anordnung oder der nahezu ausbalancierten Anordnung der Schwenkachse A alle Komponenten mit einbezieht, die von dem Schwenkteller 122 getragen werden. D. h. beim Bestimmen des Masseschwerkpunktes MP werden auch die Komponenten der Shiftachse Sh berücksichtigt. Da die Werkzeugspindel 120 samt Werkzeug 20 entlang der Shiftachse Sh verschoben werden kann, verlagert sich auch der Masseschwerkpunkt MP. Dies wird im Folgenden anhand der 2B bis 2D erläutert.
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2B zeigt eine schematische Vorderansicht einer Werkzeugspindel 120 mit Schleifschnecke 20, die gemäß dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung eine Shiftachse Sh umfasst. In der gezeigten Situation sitzt die Werkzeugspindel 120 mit Schleifschnecke 20 an einem rechten Ende der Shiftachse Sh. Der mit Sh bezeichnete Pfeil in 2B zeigt an, dass die Werkzeugspindel 120 mit Schleifschnecke 20 aus dieser Endposition heraus beim Betätigen der Shiftachse Sh nur nach links verschoben werden kann.
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2C zeigt erneut die zweite Ausführungsform der Erfindung. In der gezeigten Situation sitzt die Werkzeugspindel 120 mit Schleifschnecke 20 in etwa in der Mitte der Shiftachse Sh. Der mit Sh bezeichnete Doppelpfeil in 2C zeigt an, dass die Werkzeugspindel 120 mit Schleifschnecke 20 aus dieser Mittelposition heraus beim Betätigen der Shiftachse Sh nach rechts und nach links verschoben werden kann.
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2D zeigt auch die zweite Ausführungsform der Erfindung. In der gezeigten Situation sitzt die Werkzeugspindel 120 mit Schleifschnecke 20 an einem linken Ende der Shiftachse Sh. Der mit Sh bezeichnete Pfeil in 2D zeigt an, dass die Werkzeugspindel 120 mit Schleifschnecke 20 aus dieser Endposition heraus beim Betätigen der Shiftachse Sh nur nach rechts verschoben werden kann.
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Beim Vergleich der 2B bis 2D kann man erkennen, dass der Masseschwerkpunkt MP sich beim Verschieben der Werkzeugspindel 120 samt Werkzeug 20 verlagert. In 2B sitzt der Masseschwerkpunkt MP rechts vom Durchtritt der Schwenkachse A. In 2C sitzt der Masseschwerkpunkt MP sehr nahe am Durchtritt der Schwenkachse A und in 2D sitzt der Masseschwerkpunkt MP links vom Durchtritt der Schwenkachse A. Der Masseschwerkpunkt MP verschiebt sich nicht unbedingt symmetrisch zum Durchtritt der Schwenkachse A. In der Praxis ergibt sich meistens ein Bereich für die Verschiebung des Masseschwerkpunkts MP, der asymmetrisch zur Schwenkachse A liegt.
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Falls hingegen die Achse Sh (es handelt sich in diesem Fall bei der Achse Sh nicht um eine Shiftachse im eigentlichen Sinne, sondern um eine Linearachse) den Schwenkteller 122 samt Werkzeugspindel 120 und Werkzeug 20 trägt, so brauchen beim Bestimmen des Masseschwerkpunktes MP die Komponenten dieser Achse Sh nicht berücksichtigt werden. Der entsprechende Masseschwerkpunkt MP wird in diesem Fall auch als statischer Masseschwerpunkt MP bezeichnet. Die 2A zeigt eine Ausführungsform mit statischem Masseschwerpunkt MP.
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Bei Ausführungsformen mit statischem Masseschwerpunkt MP kann es vorteilhaft sein, den Durchtritt der Schwenkachse A beim Entwerfen der Maschine 100 mit dem Masseschwerpunkt MP zusammenzulegen, wie bereits beschrieben. Bei Ausführungsformen mit einem sich verschiebenden Masseschwerpunkt MP kann es vorteilhaft sein, den Durchtritt der Schwenkachse A beim Entwerfen der Maschine 100 in den Verschiebungsbereich des Masseschwerpunkts MP zu legen, wie in den 2B bis 2D gezeigt.
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Da die Schwenkachse A sich gemäß Erfindung nicht mit der Werkstück-Spindelachse C schneidet (ausser eventuell in dem erwähnten temporären Sonderfall), ergibt sich eine gewisse Asymmetrie der Werkzeugspindel 120, respektive des Werkzeugs 20, relativ zur Werkstück-Spindelachse C. Diese Asymmetrie kann bei allen Ausführungsformen dadurch ausgeglichen werden, dass die Shiftachse Sh zum asymmetrischen Querverschieben der Werkzeugspindel 120 samt des Schleifwerkzeugs 20 in Bezug auf die Schwenkachse A ausgelegt wird. Wenn die Shiftachse Sh bei einer Ausführungsform des Standes der Technik z. B. Bewegungen von ±150 mm ermöglicht hat, so kann die Shiftachse Sh bei Ausführungsformen der Erfindung eine Bewegung von +150 mm nach links und eine Bewegung von –120 mm nach rechts ermöglichen. Es handelt sich hier lediglich um Zahlenbeispiele.
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Aufgrund der ausbalancierten Anordnung, können die Mittel zum Halten kleiner dimensioniert sein, da kleinere Drehmomente auszugleichen sind.
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Um den Effekt der Erfindung grafisch veranschaulichen zu können, wurden in den 5A und 5B die Zahlenbeispiele einer konventionellen Maschinenkonstellation den Zahlenbeispielen einer erfindungsgemäßen Maschinenkonstellation gegenüber gestellt. Die 5A zeigt ein schematisches Diagramm, in dem das Drehmoment DM der Schwenkachse A einer konventionellen Maschinenkonstellation (z. B. wie in 1 gezeigt) über den Shiftweg Shw der Shiftachse Sh aufgetragen ist. Aufgrund der nicht ausbalancierten Konstellation, muss der Antriebsmotor der Schwenkachse A Drehmomente DM im Bereich von 1000 Nm bis –200 Nm aufbringen können, d. h. der Antriebsmotor muss so dimensioniert sein, dass er maximal 1000 Nm aufbringen kann.
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In 5B ist ein entsprechendes schematisches Diagramm einer erfindungsgemäßen Maschinenkonstellation (z. B. wie in 4 gezeigt) über den Shiftweg Shw der Shiftachse Sh aufgetragen. Aufgrund der deutlich besser ausbalancierten Konstellation, muss der Antriebsmotor der Schwenkachse A nur noch Drehmomente DM im Bereich von 700 Nm bis –500 Nm aufbringen können, d. h. der Antriebsmotor muss so dimensioniert sein, dass er maximal 700 Nm aufbringen kann.
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Bei einer ideal ausbalancierten Konstellation sind die Werte des positiven und des negativen Drehmoments DM gleich. Um bei ähnlichen Zahlenwerten wie in den 5A und 5B zu bleiben, könnte das Drehmoment einer ideal ausbalancierten Konstellation z. B. bei ±600 Nm liegen, d. h. der Antriebsmotor muss so dimensioniert sein, dass er maximal 600 Nm aufbringen kann.
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Die Güte des Ausbalancierens kann somit z. B. über die Drehmomentwerte definiert werden. Um so kleiner die betragsmäßige Differenz ΔDM der Drehmomentwerte ist, um so besser ist die Konstellation ausbalanciert. Bei ΔDM = 0 ist die Konstellation ideal ausbalanciert.
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Gemäß Erfindung liegt der Masseschwerpunkt MP dann unmittelbar im Bereich der Schwenkachse A, wenn mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist (die Zahlenangaben in Klammern beziehen sich auf das Zahlenbeispiel der 5B):
- B1. wenn der betragsmässig kleinere Wert des negativen und des positiven Drehmoments (500 Nm ist kleiner als 700 Nm) um weniger als 30% vom grösseren Wert (hier 700 Nm) abweicht. Beim Ausführungsbeispiel der 5B betragen die 500 Nm ca. 71,43% der 700 Nm. Der betragsmässig kleinere Wert weicht daher um weniger als 30% vom grösseren Wert ab und die Bedingung B1 gilt als erfüllt. Beim Ausführungsbeispiel der 5A weichen diese Werte um 80% voneinander ab und die Bedingung B1 ist bei weitem nicht erfüllt.
- B2. wenn die Differenz (700 Nm – 500 Nm = 200 Nm) des absoluten Wertes des positiven Drehmoments (700 Nm) und des absoluten Wertes des negativen Drehmoments (|–500 Nm| = 500 Nm) um weniger als 20% von der Summe (700 Nm + 500 Nm = 1200 Nm) des absoluten Wertes des negativen Drehmoments (|–500 Nm| = 500 Nm) und des absoluten Wertes des positiven Drehmoments (700 Nm) abweichen. Beim Ausführungsbeispiel der 5B ergibt diese Definition einen Wert von ca. 16,67%. Da 16,67% kleiner ist als 20%, gilt im Fall der 5B die Bedingung B2 als erfüllt. Beim Ausführungsbeispiel der 5A ergibt diese Definition einen Wert von ca. 66,67% und die Bedingung B2 ist bei weitem nicht erfüllt.
- B3. wenn in einem Diagramm, in dem das Drehmoment DM der Schwenkachse A über den Shiftweg Shw der Shiftachse Sh aufgetragen ist, der Verlauf des Drehmoments DM symmetrisch zur Achse ist, die den Shiftweg Shw abbildet, dann gilt die Bedingung B3 als erfüllt.
- B4. wenn in einem Diagramm, in dem das Drehmoment DM der Schwenkachse A über den Shiftweg Shw der Shiftachse Sh aufgetragen ist, der Verlauf des Shiftwegs Shw symmetrisch zur Achse ist, die das Drehmoment DM abbildet, dann gilt die Bedingung B4 als erfüllt.
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Die Bedingungen B1 und/oder B2 werden vorzugsweise auf Konstellationen angewendet, bei denen die Schwenkachse A keine Shiftachse Sh trägt (siehe z. B. 2A).
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Die Bedingungen B2 und/oder B3 und/oder B4 werden vorzugsweise auf Konstellationen angewendet, bei denen die Schwenkachse A eine Shiftachse Sh trägt (siehe z. B. 2B–2D, 3A, 3B, 4).
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Anhand der
5B kann man beispielhaft erkennen, dass die Shiftachse Sh zum asymmetrischen Querverschieben der Werkzeugspindel
120 samt Schleifwerkzeug
20 in Bezug auf die Schwenkachse A ausgelegt sein kann. Der Shiftweg Shw geht deutlich weiter in den negativen Bereich als in den positiven Bereich der Grafik (d. h. die Shiftachse Sh erlaubt grössere Bewegungen nach links als nach rechts). Bezugszeichenliste
| Zahnrad-Werkstück | 10 |
| Schleifwerkzeug | 20 |
| Schleifmaschine | 100 |
| Ständer | 101 |
| Linearführungen | 102 |
| Linearführungen | 103 |
| | |
| Werkstückspindel | 110 |
| | |
| Werkzeugspindel | 120 |
| Spindelgehäuse | 121 |
| Schwenkteller | 122 |
| Linearführungen | 123 |
| Linearschlitten der Shiftachse | 124 |
| | |
| Schwenkachse | A |
| Werkzeug-Spindelachse | B |
| Bedingungen | B1, B2, B3, B4 |
| Werkstück-Spindelachse | C |
| Drehmoment | DM |
| Versatz | ΔA1 |
| Achsversatz | ΔA2 |
| Masseschwerpunkt | MP |
| Kreis | K |
| Shiftachse | Sh |
| Shiftweg | Shw |
| Achsen | X, Y, Z |
