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Die Erfindung betrifft ein Spindelsystem und ein Verfahren zum Spannen eines Werkzeugs, wobei das Spindelsystem eine Motorspindel und eine Betätigungsvorrichtung umfasst, wobei die Motorspindel eine Hohlwelle mit einem Motor zum Antrieb der Hohlwelle und eine Spannvorrichtung umfasst, wobei die Spannvorrichtung eine Spannzange, eine in Richtung einer Längsachse der Hohlwelle bewegbare Betätigungsstange und eine Federeinrichtung umfasst, wobei die Federeinrichtung durch eine auf die Betätigungsstange bewirkte Federkraft die Spannzange in einer Schließstellung zum Spannen eines Werkzeugs hält, wobei mittels der Betätigungsvorrichtung eine translatorische Bewegung auf die Betätigungsstange entgegen der Federkraft ausübbar ist, derart, dass die Spannzange in einer Öffnungsstellung zum Freigeben des Werkzeugs überführbar ist.
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Derartige Spindelsysteme und Verfahren sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und werden regelmäßig zum Spannen eines Werkzeugs in einer Spannzange einer Motorspindel eingesetzt. Motorspindeln dieser Art werden ihrerseits zum Fräsen oder Schleifen von Formen im Dentalbereich eingesetzt. Diese Motorspindeln können Drehzahlen zwischen 5.000 und 120.000 Umdrehungen pro Minute erreichen und es können Werkzeuge beziehungsweise Fräser mit einem Durchmesser von bis zu 10 mm mit der Spannzange gespannt werden. Die Hohlwelle der Motorspindel, innerhalb der die Spannzange aufgenommen ist, ist kugelgelagert und wird unmittelbar von einem Motor beziehungsweise einem Elektromotor, der ein Synchronmotor oder ein Asynchronmotor sein kann, angetrieben. Dieser Elektromotor ist daher um die Hohlwelle herum, diese umgebend, angeordnet, sodass die Hohlwelle gleichzeitig eine Antriebswelle des Elektromotors der Motorspindel ausbildet.
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Die Spannzange ist über eine Betätigungsstange in der Hohlwelle derart betätigbar, dass die Spannzange durch eine Bewegung der Betätigungsstange in Richtung der Längsachse der Hohlwelle geöffnet oder geschlossen werden kann. Eine an der Betätigungsstange vorgesehene Federeinrichtung bewirkt eine Federkraft auf die Spannzange derart, dass die Spannzange in einer Schließstellung zum Spannen eines Werkzeugs gehalten wird. Zum Freigeben des Werkzeugs ist dann eine Betätigung der Betätigungsstange entgegen der Federkraft erforderlich.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Spindelsystemen ist eine Betätigungsvorrichtung stets mit einem pneumatischen Antrieb ausgebildet. Das heißt die jeweilige Betätigungsstange wird über einen pneumatisch angetriebenen Kolben angetrieben. Nachteilig ist jedoch, dass über einen pneumatisch angetriebenen Kolben keine allzu großen Kräfte auf die Federeinrichtung bewirkt werden können. Damit ein Freigeben des Werkzeugs noch möglich ist, kann ein Spannen des Werkzeugs nur mit geringer Federkraft erfolgen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Spindelsystem sowie ein Verfahren zum Spannen eines Werkzeugs vorzuschlagen, das die Ausbildung einer vergleichsweise großen Spannkraft ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch ein Spindelsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 13 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Spindelsystem umfasst eine Motorspindel und eine Betätigungsvorrichtung, wobei die Motorspindel eine Hohlwelle mit einem Motor zum Antrieb der Hohlwelle und eine Spannvorrichtung umfasst, wobei die Spannvorrichtung eine Spannzange, eine in Richtung einer Längsachse der Hohlwelle bewegbare Betätigungsstange und eine Federeinrichtung umfasst, wobei die Federeinrichtung durch eine auf die Betätigungsstange bewirkte Federkraft die Spannzange in einer Schließstellung zum Spannen eines Werkzeugs hält, wobei mittels der Betätigungsvorrichtung eine translatorische Bewegung auf die Betätigungsstange entgegen der Federkraft ausübbar ist, derart, dass die Spannzange in einer Öffnungsstellung zum Freigeben des Werkzeugs überführbar ist, wobei die Betätigungsvorrichtung einen Elektromotor und ein Getriebe zur Umwandlung einer rotatorischen Bewegung des Elektromotors in die translatorische Bewegung umfasst.
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Demnach weist die Betätigungsvorrichtung einen Elektromotor zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung auf, wobei mittels des Getriebes der Betätigungsvorrichtung die rotatorische Bewegung des Elektromotors in eine translatorische überführt wird. Diese translatorische Bewegung entspricht dann im Wesentlichen der translatorischen Bewegung, die mittels der Betätigungsvorrichtung auf die Betätigungsstange entgegen der Federkraft ausgeübt wird. Folglich wird über das Getriebe der Betätigungsvorrichtung die translatorische Bewegung der Betätigungsstange ausgeführt. Dadurch, dass anstelle eines pneumatischen Kolbens der Elektromotor mit dem Getriebe verwendet wird, wird eine große Anzahl Umdrehungen des Elektromotors in die translatorische Bewegung beziehungsweise eine lineare Strecke übertragen beziehungsweise untersetzt. Je nach Ausbildung des Getriebes ist es dann möglich, eine besonders große Kraft auf die Betätigungsstange auszuüben. Die Federeinrichtung kann dann ebenfalls eine vergleichsweise größere Federkraft auf die Spannzange bewirken und somit ein Werkzeug mit einer noch größeren Spannkraft sicher spannen. Weiter ergibt sich dadurch, dass die Betätigungsvorrichtung aus einem Elektromotor und einem Getriebe ausgebildet ist, der Vorteil, dass nicht zwingend eine Druckluftleitung zu dem Spindelsystem beziehungsweise einer Fräsmaschine mit dem Spindelsystem verlegt werden muss. Auch können Betriebskosten, für das Spindelsystem durch den Ersatz von vergleichsweise teurer Druckluft durch elektrische Energie eingespart werden. Die Betätigungsvorrichtung kann dann auch über Versorgungsleitungen der Motorspindel mit elektrischer Energie einfach versorgt werden. Der Elektromotor kann insbesondere ein Synchronmotor, Asynchronmotor, Torqmotor oder Schrittmotor sein. Im Gegensatz zu einem pneumatischen Kolben sind mit einem derartigen Elektromotor eine sehr viel präzisere Ausführung der translatorischen Bewegung und Ausbildung einer Kraft auf die Betätigungsstange möglich.
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In einer Ausführungsform des Spindelsystems kann das Getriebe einen Spindeltrieb mit einer Gewindespindel und einer Spindelmutter zur Umwandlung der rotatorischen Bewegung in die translatorische Bewegung aufweisen, wobei die Gewindespindel oder die Spindelmutter von dem Elektromotor antreibbar sein kann. Beispielsweise kann die Gewindespindel an eine Welle des Elektromotors gekoppelt sein, sodass eine rotatorische Bewegung der Welle eine translatorische Bewegung der Spindelmutter bewirken kann. Je nach Gewindesteigung der Spindelmutter kann dann auch einfach eine Getriebeübersetzung ausgebildet werden, mit der eine große Kraft zur Betätigung der Betätigungsstange ausgebildet werden kann. Darüber hinaus ist es möglich mit einer derartigen Betätigungsvorrichtung auch eine Spannkraft zu variieren oder einen Verstellweg der Spindelmutter beziehungsweise der Betätigungsstange zu bestimmen. Wenn der Spindeltrieb selbsthemmend ausgebildet ist, muss der Elektromotor auch nicht permanent mit elektrischer Energie versorgt werden. So kann die Spannzange in der Öffnungsstellung beliebig lange ohne Einsatz von Energie offen gehalten werden.
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Die Gewindespindel oder die Spindelmutter kann einen Stößel ausbilden, der auf die Betätigungsstange wirken kann. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Stößel mit einer Ringdichtung so abgedichtet ist, dass in die Hohlwelle mit der Betätigungsstange kein Schmutz gelangen kann. Weiter ist es dann auch möglich die Hohlwelle im Bereich der Betätigungsvorrichtung gegenüber einer Umgebung abzudichten.
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Der Spindeltrieb kann eine Verdrehsicherung der Gewindespindel oder der Spindelmutter aufweisen. Wenn die Gewindespindel von dem Elektromotor angetrieben wird, weist vorzugsweise die Spindelmutter die Verdrehsicherung auf, und wenn die Spindelmutter von dem Elektromotor angetrieben wird, weist die Gewindespindel die Verdrehsicherung auf. Die Verdrehsicherung kann beispielsweise durch einen einfachen Stift, der die Gewindespindel oder die Spindelmutter an einer rotatorischen Bewegung hindert, ausgebildet sein.
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Das Getriebe kann ein an dem Elektromotor angeschlossenes Übersetzungsgetriebe zur Übersetzung der rotatorischen Bewegung aufweisen. Das Übersetzungsgetriebe kann beispielsweise ein Planetengetriebe sein, mit dem eine rotatorische Bewegung des Elektromotors auf eine Drehzahl reduziert werden kann, die zur Umwandlung in die translatorische Bewegung geeignet ist.
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Die Betätigungsvorrichtung kann ein Gehäuse aufweisen, wobei die Betätigungsvorrichtung mit dem Gehäuse an einem Spindelgehäuse der Motorspindel lösbar befestigt sein kann. So ist es dann auch möglich ein modulares Spindelsystem auszubilden, derart, dass Motorspindeln unterschiedlichster Ausführungen stets mit einer gleichartig ausgebildeten Betätigungsvorrichtung kombiniert werden können. Das Gehäuse der Betätigungsvorrichtung kann dann einfach an das Spindelgehäuse angeflanscht sein. Eine Verbindung zwischen Gehäuse und Spindelgehäuse kann bereits durch ein einfaches Schraubgewinde oder einen Flansch mit einer Anzahl Schrauben ausgebildet sein. Die Motorspindel kann ein Spindelgehäuse mit einem Druckluftanschluss aufweisen. Weiter kann das Spindelgehäuse einen Anschluss zur Verbindung mit einer Leitung zur Stromversorgung und Datenübermittlung verfügen. Über den Druckluftanschluss kann das Spindelgehäuse für unterschiedlichste Zwecke mit Druckluft versorgt werden.
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So kann die Motorspindel eine Reinigungseinrichtung aufweisen, wobei mittels Druckluft der Reinigungseinrichtung eine Werkzeugaufnahme der Spannzange reinigbar sein kann. Beispielsweise kann dann mittels Druckluft durch die Hohlwelle hindurch die Werkzeugaufnahme der Spannzange ausgeblasen und dadurch von beispielsweise Spänen gereinigt werden.
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Weiter kann die Motorspindel eine Antasteinrichtung aufweisen, wobei mittels der Antasteinrichtung ein elektrischer Kontakt zwischen der Hohlwelle und einem Referenzkörper gemessen werden kann. Der Referenzkörper kann unter anderem auch ein elektrisch leitendes Werkstück sein, welches mittels des Spindelsystems bearbeitet werden kann. So kann dann mit der Antasteinrichtung ein elektrischer Strom zwischen der Hohlwelle und dem Referenzkörper übertragen werden, wobei beispielsweise bei einem geringen Widerstand ein Kontakt mit dem Referenzkörper und damit auch ein Abstand der Hohlwelle relativ zu dem Referenzkörper gemessen werden kann.
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Die Motorspindel kann eine Überdruckeinrichtung aufweisen, wobei mittels Druckluft der Überdruckeinrichtung in dem Spindelgehäuse und/oder der Hohlwelle ein Überdruck gegenüber einem Umgebungsdruck ausgebildet werden kann. Durch die Ausbildung des Überdrucks kann dann sichergestellt werden, dass keine Verunreinigungen, wie beispielsweise Späne, in das Spindelgehäuse und/oder die Hohlwelle eindringen können.
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Die Motorspindel kann eine Kühleinrichtung aufweisen, wobei Druckluft der Kühleinrichtung auf ein Werkzeug und/oder Werkstück abgegeben werden kann. Beispielsweise kann über eine Düse oder eine Mehrzahl von Düsen, die benachbart dem Werkzeug beziehungsweise der Spannzange konzentrisch angeordnet ist beziehungsweise sind, ein Druckluftstrom auf das Werkzeug und/oder das Werkstück gerichtet werden. Neben einer Kühlung des Werkzeugs beziehungsweise Werkstücks können auch Späne, die bei einer Bearbeitung des Werkstücks entstehen, so leicht in eine Umgebung abgeführt werden. Ergänzend kann die Kühleinrichtung Düsen zur Applikation von Kühlschmiermittel auf das Werkzeug und/oder Werkstück aufweisen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Federeinrichtung aus Tellerfedern ausgebildet ist. Mit Tellerfedern kann bei einem kleinen Bauraum eine verhältnismäßig große Federkraft auf die Spannzange beziehungsweise die Betätigungsstange bewirkt werden.
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Die erfindungsgemäße Maschine, insbesondere Fräsmaschine oder Schleifmaschine, weist ein erfindungsgemäßes Spindelsystem auf. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Maschine ergeben sich aus den auf den Vorrichtungsanspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Spannen eines Werkzeugs umfasst eine Motorspindel eines Spindelsystems eine Hohlwelle mit einem Motor zum Antrieb der Hohlwelle und eine Spannvorrichtung, wobei die Spannvorrichtung eine Spannzange, eine in Richtung einer Längsachse der Hohlwelle bewegbare Betätigungsstange und eine Federeinrichtung umfasst, wobei durch die Federeinrichtung auf die Betätigungsstange eine Federkraft bewirkt wird, die die Spannzange in einer Schließstellung hält, in der ein Werkzeug gespannt wird, wobei mittels einer Betätigungsvorrichtung des Spindelsystems eine translatorische Bewegung auf die Betätigungsstange entgegen der Federkraft ausgeübt wird, derart, dass die Spannzange in eine Öffnungsstellung zum Freigeben des Werkzeugs überführt wird, wobei die Betätigungsvorrichtung einen Elektromotor und ein Getriebe aufweist, wobei mittels des Getriebes eine rotatorische Bewegung des Elektromotors in die translatorische Bewegung umgewandelt wird. Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die Vorteilsbeschreibung des erfindungsgemäßen Spindelsystems verwiesen. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich aus den auf den Vorrichtungsanspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Die Figur zeigt eine teilweise Längsschnittdarstellung eines Spindelsystems 10 mit einer Motorspindel 11 und einer Betätigungsvorrichtung 12. Die Motorspindel 11 umfasst eine Hohlwelle 13 mit einem hier nicht näher dargestellten Motor zum Antrieb der Hohlwelle 13 innerhalb eines Spindelgehäuses 14. Weiter weist die Motorspindel 11 eine Spannvorrichtung 15 auf, die ihrerseits eine Spannzange 16 und eine in Richtung einer Längsachse 17 der Hohlwelle 13 bewegbare Betätigungsstange 18 und eine hier nicht sichtbare Federeinrichtung, die durch Tellerfedern ausgebildet ist, umfasst. Die Federeinrichtung bewirkt auf die Betätigungsstange 18 eine Federkraft, die die Spannzange 16 in der hier dargestellten Schließstellung 19 zum Spannen eines Werkzeugs 20 hält. Eine translatorische Bewegung der Betätigungsstange 18 entlang der Längsachse 17 und entgegen der Federkraft bewirkt ein Herausschieben der Spannzange 16 aus der Hohlwelle 13 und damit ein Aufspreizen der Spannzange 16 in eine hier nicht dargestellte Öffnungsstellung, in der das Werkzeug 20 freigegeben wird.
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Die Betätigungsvorrichtung 12 weist einen Elektromotor 21 mit einem Getriebe 22 auf, welches eine rotatorische Bewegung des Elektromotors 21 in eine translatorische Bewegung umwandeln kann. Das Getriebe 22 ist aus einem Spindeltrieb 23 mit einer Gewindespindel 24 und einer Spindelmutter 25 ausgebildet. Die Gewindespindel 24 wird von dem Elektromotor 21 angetrieben und bewirkt dann eine translatorische Bewegung der Spindelmutter 25, wobei an der Spindelmutter 25 mittels eines Stifts 26, der in eine Bohrung 27 eingreift, eine Verdrehsicherung 28 ausgebildet ist. Weiter umfasst das Getriebe 22 ein hier nicht näher dargestelltes Übersetzungsgetriebe innerhalb des Elektromotors 21. An der Spindelmutter 25 ist ein Stößel 29 ausgebildet, der auf ein Ende 30 der Betätigungsstange 18 wirkt. Der Stößel 29 ist dabei mittels einer Ringdichtung 31 gegenüber dem Spindelgehäuse 14 abgedichtet. Der Elektromotor 21 mit dem Getriebe 22 ist in einem Gehäuse 32 aufgenommen, welches über ein Gewinde 33 auf das Spindelgehäuse einfach ausgeschraubt ist. An dem Spindelgehäuse 14 ist weiter ein Druckluftanschluss 34 und ein elektrischer Anschluss 35 zur Versorgung der Motorspindel 11 mit Druckluft und elektrischer Energie ausgebildet.
