DE102018101583B4

DE102018101583B4 - Maschinenachse und Werkzeugmaschine mit einer Maschinenachse

Info

Publication number: DE102018101583B4
Application number: DE102018101583.6A
Authority: DE
Inventors: Artur Kurz
Original assignee: Gebrueder Heller Maschinenfabrik GmbH
Current assignee: Gebrueder Heller Maschinenfabrik GmbH
Priority date: 2018-01-24
Filing date: 2018-01-24
Publication date: 2020-03-19
Anticipated expiration: 2038-01-25
Also published as: DE102018101583A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Maschinenachse (14), insbesondere Linearachse, sowie eine Werkzeugmaschine (10) mit einer solchen Maschinenachse (14). Die Maschinenachse (14) hat eine sich entlang einer Längsachse (L) erstreckende Kugelrollspindel (25), an der bewegbar eine Kugelumlaufmutter (28) angeordnet ist. Ein Motor (26) ist zum rotierenden Antreiben der Kugelrollspindel (25) um die Längsachse eingerichtet. Die Maschinenachse (14) hat eine obere Bremseinheit (43) oberhalb der Kugelumlaufmutter (28) und eine untere Bremseinheit (44) unterhalb der Kugelumlaufmutter (28). Die Bremseinheiten (43, 44) sind dazu eingerichtet, in einem Bremszustand der Rotation der Kugelrollspindel (25) entgegenzuwirken. Über eine Steuereinrichtung (27) kann der Motor (26) und die Bremseinheiten (43, 44) angesteuert werden. Stellt die Steuereinrichtung (27) einen Fehler der Maschinenachse (14) fest, werden die Bremseinheiten (43, 44) in den Bremszustand umgeschaltet. Dabei können die Bremseinheiten (43, 44) mit demselben Bremssteuersignal (B) angesteuert werden, so dass sie jeweils gemeinsam in den Bremszustand bzw. einen Lösezustand umgeschaltet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Maschinenachse für eine Werkzeugmaschine bzw. eine Werkzeugmaschine mit einer solchen Maschinenachse.
Eine Maschinenachse dient in einer Werkzeugmaschine zum Bewegen eines Maschinenabtriebsteils, beispielsweise rotativ oder linear in einer vorgegebenen Raumrichtung. Bei dem Maschinenabtriebsteil kann es sich beispielsweise um einen Maschinenschlitten mit einem Werkzeugträger oder einem Werkstückträger handeln. Bei Anordnungen der Maschinenachse, bei denen die Bewegung des Maschinenabtriebsteils eine vertikale Komponente hat, kann es bei einem Defekt insbesondere durch die Schwerkraft dazu kommen, dass das Maschinenabtriebsteil unkontrolliert vertikal nach unten bewegt wird. Solche Bewegungen müssen verhindert werden, insbesondere wenn dadurch eine Bedienperson zu schaden kommen kann. Das ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Maschinenachse in einem von einer Bedienperson zugänglichen Arbeitsraum der Werkzeugmaschine angeordnet ist.
Eine aus der Praxis bekannte Maschinenachse hat einen antreibbaren Kugelgewindetrieb, bestehend aus einer Kugelrollspindel und einer daran gelagerten Kugelumlaufmutter. Mittels einer Bremseinrichtung, die an einem Endbereich der Kugelrollspindel angeordnet ist, kann die Kugelrollspindel gegen eine Rotation abgebremst werden. Die Bremseinrichtung kann redundant ausgeführte Bremseinheiten aufweisen. Wenn jedoch die Kugelrollspindel zwischen der Bremseinrichtung und der Kugelumlaufmutter bricht, kann sich die Kugelumlaufmutter unter einer einwirkenden Kraft, beispielsweise durch die Gewichtskraft eines Werkstücks, entlang der Kugelrollspindel bewegen, weil zwischen der Kugelrollspindel und der Kugelumlaufmutter keine Selbsthemmung auftritt. Ein Abbremsen der Kugelrollspindel ist nicht mehr möglich. Das gleiche Ereignis tritt ein, wenn sich die Kugeln aus der Kugelumlaufmutter entfernen, beispielsweise aufgrund einer gebrochenen Kugelrückführung. Um dies zu vermeiden, wurden bei verschiedenen Ausführungen zusätzliche betätigbare Klemm- oder Blockiereinrichtungen an dem von der Kugelumlaufmutter angetriebenen Maschinenabtriebsteil angeordnet, die mit einer Führung des Maschinenabtriebsteils zusammenwirken. Auf diese Weise kann auch bei einem Bruch der Kugelrollspindel ein sicheres Abbremsen des bewegten Maschinenabtriebsteils erreicht werden.
DE 10 2010 049 677 A1 offenbart eine Werkzeugmaschine mit einer Maschinenachse, die eine von einem Motor angetriebene Kugelgewindespindel aufweist. Eine Spindelmutter sitzt auf der Kugelgewindespindel. Wenn der Motor die Kugelgewindespindel um ihre Längsachse rotierend antreibt, bewegt sich die Spindelmutter entlang der Kugelgewindespindel. Fluchtend mit der Längsachse der Kugelgewindespindel ist eine Sacklochbohrung vorhanden, in die das freie Ende der Kugelgewindespindel hineinfällt, wenn diese brechen sollte.
JP 10263973 A beschreibt eine Maschinenachse mit einer Gewindespindel, auf der eine Spindelmutter längsverschiebbar sitzt. Ein Motor ist zum Antreiben der Gewindespindel vorhanden. Im Falle eines Stromausfalls soll verhindert werden, dass sich die Gewindespindel weiter drehen kann und die Spindelmutter eine unkontrollierte Bewegung entlang der Gewindespindel ausführt. Hierfür ist eine Bremseinrichtung vorhanden, die verhindert, dass die Gewindespindel unkontrolliert rotiert.
Solche zusätzlichen Klemm- oder Blockiereinrichtungen sind teuer und aufwendig. Es kann daher als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, eine Maschinenachse und eine Werkzeugmaschine mit einer solchen Maschinenachse zu schaffen, bei der eine sichere Ausführung mit geringem Aufwand erreicht ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Maschinenachse mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie eine Werkzeugmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 15 gelöst.
Die Maschinenachse gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Kugelrollspindel auf, die in Vertikalrichtung oder unter einem Neigungswinkel gegenüber der Vertikalrichtung schräg geneigt angeordnet ist. Der Neigungswinkel hat vorzugsweise einen Betrag, der kleiner ist als 45° oder kleiner als 30° oder kleiner als 15°.
Ein ansteuerbarer Motor der Maschinenachse ist dazu eingerichtet, die Kugelrollspindel rotierend um ihre Längsachse anzutreiben. An der Kugelrollspindel ist eine Kugelumlaufmutter bewegbar gelagert. Bei einer Rotation der Kugelrollspindel bewegt sich die Kugelumlaufmutter entlang der Kugelrollspindel nach oben oder nach unten, abhängig von der Drehrichtung. Mit der Kugelumlaufmutter ist ein Maschinenabtriebsteil bewegungsgekoppelt, das somit durch das rotierende Antreiben der Kugelrollspindel linear und parallel zur Längsachse der Kugelrollspindel bewegt bzw. positioniert werden kann. Bei dem Maschinenabtriebsteil kann es sich beispielsweise um einen Maschinenschlitten oder dergleichen handeln. Das Maschinenabtriebsteil kann vertikal nach unten mit großen Lasten beaufschlagt sein und muss gegen eine ungewollte Bewegung vertikal nach unten gesichert werden. Das Maschinenabtriebsteil kann mittels einer Führungseinrichtung parallel zu der Bewegungsrichtung der Kugelumlaufmutter geführt gelagert sein.
Die Maschinenachse weist eine ansteuerbare obere Bremseinheit auf, die oberhalb der Kugelumlaufmutter angeordnet ist. Außerdem weist die Maschinenachse eine ansteuerbare untere Bremseinheit auf, die unterhalb der Kugelumlaufmutter angeordnet ist. Die Bremseinheiten sind dazu eingerichtet, die Kugelrollspindel bremsend zu beaufschlagen, so dass einer Rotation der Kugelrollspindel entgegengewirkt wird. Mittels einer Steuereinrichtung werden die Bremseinheiten und der Motor angesteuert.
Durch das Anordnen von zwei separat ansteuerbaren Bremseinheiten oberhalb und unterhalb der Kugelumlaufmutter ist sichergestellt, dass auch im Falle eines Spindelbruchs ein Abbremsen der Kugelrollspindel möglich ist. Je nachdem, ob sich die Bruchstelle oberhalb oder unterhalb der Kugelumlaufmutter befindet, kann der Teil der Kugelrollenspindel, an dem sich die Kugelumlaufmutter befindet, entweder noch mit der unteren oder der oberen Bremseinheit abgebremst und gegen eine ungewollte Rotation gesichert werden. Durch das Blockieren der Rotation der Kugelrollspindel ist sichergestellt, dass sich die Kugelumlaufmutter nicht entlang der Kugelrollspindel bewegen kann und somit sowohl die Kugelumlaufmutter als auch das damit bewegungsgekoppelte Maschinenabtriebsteil in der jeweiligen Position gesichert ist. Unkontrollierte Bewegungen des Maschinenabtriebsteils sind vermieden. Die Gefahr von Personenschäden und auch von Sachschäden ist dadurch zumindest erheblich reduziert.
Zusätzliche klemm- oder Blockiereinrichtungen am Maschinenabtriebsteil oder an einer Führungseinrichtung für das Maschinenabtriebsteil können entfallen. Die Bewegung des Maschinenabtriebsteils parallel zur Kugelrollspindel kann insbesondere nur über die Bremseinheiten angehalten werden, die mit der Kugelrollspindel zusammenwirken.
Die Steuereinrichtung kann die beiden Bremseinheiten mittels desselben Bremssteuersignals ansteuern. Die Bremseinheiten können beispielsweise identisch ausgestaltet sein. Zwei Bremseinheiten auf entgegengesetzten Seiten bezüglich der Kugelumlaufmutter anzuordnen, erhöht den konstruktiven Aufwand der Maschinenachse nicht wesentlich, insbesondere weil die Ansteuerung beider Bremseinheiten durch dasselbe Bremssteuersignal erfolgen kann. Auch lassen sich bestehende Maschinenachsen einfach nachrüsten, so dass eine erfindungsgemäße Maschinenachskonfiguration erreicht werden kann.
Es ist vorteilhaft, wenn wenigstens ein Sensor zur Erfassung einer die Bewegung der Kugelumlaufmutter beschreibenden Bewegungsgröße vorhanden ist. Der Sensor kann ein Sensorsignal erzeugen und an die Steuereinrichtung übermitteln, das die Bewegungsgröße beschreibt.
Es ist bevorzugt, wenn die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, das wenigstens eine Sensorsignal auszuwerten und abhängig von dem Auswerteergebnis, die Bremseinheiten mittels des Bremssteuersignals in den Bremszustand umzuschalten. Wenn beispielsweise der Motor durch die Steuereinheit nicht angetrieben wird und dennoch eine Bewegung der Kugelrollspindel und/oder der Kugelumlaufmutter und/oder des Maschinenabtriebsteils durch das wenigstens eine Sensorsignal angezeigt wird, kann als Auswerteergebnis ein Fehler erkannt und die Bremseinheiten in den Bremszustand umgeschaltet werden.
Es ist bevorzugt, wenn die Bremseinheiten durch die Steuereinrichtung derart angesteuert werden, dass entweder beide Bremseinheiten im Lösezustand oder beide Bremseinheiten im Bremszustand sind. Im Lösezustand wird eine Rotation der Kugelrollspindel durch die Bremseinheiten nicht blockiert oder behindert.
Bei einer Ausführungsform kann wenigstens ein Positionssensor gemeinsam bewegbar mit der Kugelumlaufmutter angeordnet sein. Dabei kann der Positionssensor direkt an der Kugelumlaufmutter oder am Maschinenabtriebsteil oder einem anderen Teil angeordnet sein, das sich gemeinsam mit der Kugelumlaufmutter bewegt. Der Positionssensor kann beispielsweise mit einem ortsfest an einem Maschinengestell oder einer Maschinenbasis anordenbaren und in Bewegungsrichtung der Kugelumlaufmutter relativ zur Kugelrollspindel unbeweglich angeordneten Maßstab zusammenarbeiten. Der Positionssensor ist dazu eingerichtet, eine Position oder eine Positionsänderung der Kugelumlaufmutter in Richtung parallel zur Kugelrollspindel zu erfassen und ein entsprechendes Positionssensorsignal an die Steuereinrichtung zu übermitteln.
Zusätzlich oder alternativ zu dem Positionssensor kann bei einem Ausführungsbeispiel wenigstens ein Rotationssensor vorhanden sein. Der Rotationssensor arbeitet beispielsweise mit einer mittelbar oder unmittelbar an der Kugelrollspindel befestigten Sensorscheibe zusammen, um eine Drehposition bzw. Rotation der Kugelrollspindel zu erfassen und ein entsprechendes Rotationssignal an die Steuereinrichtung zu übermitteln. Der Rotationssensor kann auch die Rotationsposition und/oder die Rotation des Rotors des Motors erfassen, wenn die Sensorscheibe am Rotor angeordnet ist.
Es ist möglich, jeweils mehrere separate Positionssensoren und/oder Rotationssensoren vorzusehen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, das wenigstens eine Positionssensorsignal und das wenigstens eine Rotationssensorsignal auszuwerten und dahingehend zu überprüfen, ob eine Bewegung der Kugelumlaufmutter, die sich aus dem Rotationssensorsignal ergibt, mit der tatsächlichen durch das Positionssensorsignal beschriebenen Bewegung der Kugelumlaufmutter übereinstimmt. Ist dies nicht der Fall, kann die Auswertung auf einen Fehler schließen und die Bremseinheiten in den Bremszustand umschalten. Zusätzlich oder alternativ kann das wenigstens eine Positionssensorsignal und das wenigstens eine Rotationssensorsignal auch mit einem Motorsteuersignal verglichen werden, das zur Ansteuerung des Motors dient und die Rotationsbewegung des Motors beschreibt bzw. vorgibt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kugelrollspindel an mehreren Lagerstellen gelagert. Bei einem Ausführungsbeispiel ist ein oberes Lager oberhalb der Kugelumlaufmutter sowie ein unteres Lager unterhalb der Kugelumlaufmutter vorhanden, mittels denen die Kugelrollspindel drehbar gelagert ist. Die obere Bremseinheit kann vorzugsweise oberhalb des oberen Lagers angeordnet sein. Es ist auch vorteilhaft, wenn der Motor oberhalb des oberen Lagers angeordnet ist. Die Kugelumlaufmutter kann sich in einem Bereich zwischen dem oberen Lager und dem unteren Lager bewegen. Vorteilhafterweise ist die obere Bremseinheit oberhalb des Motors angeordnet. Besonders bevorzugt ist die Bremseinheit innerhalb des Motors angeordnet.
Es ist außerdem bevorzugt, wenn die untere Bremseinheit unmittelbar benachbart zum unteren Lager oder unterhalb des unteren Lagers angeordnet ist. Es kann vorteilhaft sein, die untere Bremseinheit möglichst nahe am unteren Lager zu platzieren.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Maschinenachse kann zwischen dem Motor und dem oberen Lager eine Kupplung angeordnet sein. Die Kupplung unterteilt die Kugelrollspindel in einen oberen Abschnitt, der mit dem Rotor des Motors verbunden ist, sowie einen unteren Abschnitt, an dem die Kugelumlaufmutter gelagert ist.
Bei Verwendung einer herkömmlichen Kugelumlaufmutter fällt bei Verschleiß, Kugelbruch oder Kugelverlust meist die mechanische Verbindung mit der Kugelrollspindel weg, so dass eine ungewollte Bewegung des Maschinenabtriebsteils auftreten kann. Diese ungewollte Bewegung kann mangels Verbindung zwischen Kugelumlaufmutter und Kugelrollspindel auch nicht durch die Bremsen gestoppt werden, die den Kugelrollspindeln zugeordnet sind.
Um auch für diesen Fall eine Sicherheit gegen eine ungewollte Bewegung zu gewährleisten, kann die Kugelumlaufmutter bei einer bevorzugten Ausführungsform als Sicherheitsmutter mit einem kugelfreien Gewindeabschnitt ausgeführt sein. Dadurch kann bei Verschleiß, Kugelbruch oder Kugelverlust eine ungewollte Bewegung der Kugelumlaufmutter entlang der Kugelrollspindel vermieden werden, weil dann der kugelfreie Gewindeabschnitt in Eingriff mit dem Gewinde der Kugelrollspindel gelangt und die Gewindeführung bzw. der Gewindeeingriff erhalten bleibt. Der kugelfreie Gewindeabschnitt ist vorzugsweise so ausgeführt, dass bei einer Normalfunktion der Sicherheitsmutter ein Axialspiel von beispielsweise 0,1 bis 0,4 mm oder auch mehr gewährleistet ist. Bei Verschleiß, Kugelbruch oder Kugelverlust kommt der kugelfreie Gewindeabschnitt mit der Kugelrollspindel dann bei Erreichen dieses Axialspiels in Eingriff. Die Steuereinrichtung wertet das wenigstens eine Sensorsignal aus und erkennt jedoch bereits nach einem wesentlich kürzeren Weg die Positionsabweichung und schaltet die Bremseinheiten in den Bremszustand um. Die Fallhöhe des Maschinenabtriebsteils entspricht in diesem Versagensfall somit dem Axialspiel der Sicherheitsmutter. Somit ist eine hohe Sicherheit gewährleistet.
Bei einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine ist ein für eine Bedienperson zugänglicher Arbeitsraum vorhanden. In dem Arbeitsraum befindet sich insbesondere wenigstens ein Werkzeug sowie wenigstens ein Werkstückträger. In dem Arbeitsraum ist außerdem wenigstens eine erfindungsgemäße Maschinenachse angeordnet, um eine Relativbewegung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückträger durchführen zu können. Der Arbeitsraum ist durch eine Bedienperson zugänglich, beispielsweise begehbar. Durch die erhöhte Betriebssicherheit der erfindungsgemäßen Maschinenachse ist die Gefahr von Personenschäden im Falle eines Defekts, insbesondere eines Bruchs der Kugelrollenspindel, erheblich reduziert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

1 eine stark schematisierte, blockschaltbildähnliche Darstellung einer Werkzeugmaschine mit einer Maschinenachse zum Bewegen und/oder Positionieren eines Werkstückträgers in Vertikalrichtung,
2 eine schematische, blockschaltbildähnliche Darstellung einer Ausführungsform einer Maschinenachse gemäß der vorliegenden Erfindung und
3 eine geschnittene Teildarstelldung einer Kugelrollspindel mit einer daran bewegbar gelagerten Kugelumlaufmutter der Maschinenachse aus 2.

1 zeigt eine stark schematisierte Darstellung einer Werkzeugmaschine 10 nach Art eines Blockschaltbilds. Die Werkzeugmaschine 10 hat einen durch eine Bedienperson zugänglichen Arbeitsraum 11. In dem Arbeitsraum 11 kann ein Werkstück 12 mittels eines Werkzeugs 13 bearbeitet werden. Zur Positionierung bzw. Bewegung des Werkstücks 12 und des Werkzeugs 13 relativ zueinander ist eine Maschinenachse 14 vorhanden. Die Maschinenachse 14 ist dazu eingerichtet, ein Maschinenabtriebsteil 15 in einer Vertikalrichtung V oder unter einem Neigungswinkel α schräg geneigt zur Vertikalrichtung V zu bewegen. Der Neigungswinkel α ist ein spitzer Winkel und hat vorzugsweise einen Betrag kleiner als 45° oder kleiner als 30° oder kleiner als 15° ( 3) .
Bei dem in 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist das durch die Maschinenachse 14 bewegte Maschinenabtriebsteil 15 als Werkstückträger 16 ausgeführt, an bzw. auf dem das Werkstück 12 angeordnet und gehalten wird. Das Maschinenabtriebsteil 15 könnte alternativ auch durch einen Werkzeugträger, einen Träger für ein Werkzeugstützmittel, usw. gebildet sein.
Das Maschinenabtriebsteil 15, beispielsgemäß der Werkstückträger 16, kann mittels einer Führungseinrichtung 17, beispielsweise einer oder mehrerer Führungsschienen, geführt bewegbar gelagert sein. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Führungseinrichtung 17 dazu eingerichtet, den Werkstückträger 16 in Vertikalrichtung V zu führen und gegenüber einer Bewegung rechtwinklig dazu möglichst spielfrei abzustützen. Die Maschinenachse 14 ist daher beispielsgemäß als Linearachse ausgeführt.
Der Arbeitsraum 11 ist durch eine Bedienperson zugänglich und beim Ausführungsbeispiel begehbar. Hierzu ist in einer Verkleidung 18 der Werkzeugmaschine 10 eine Tür 19 vorhanden. Um eine Bedienperson zu schützen, muss das Maschinenabtriebsteil 15 bzw. der Werkstückträger 16 vor einer ungewollten bzw. unkontrollierten Bewegung, insbesondere vertikal nach unten, gesichert werden. Diese Sicherungsfunktion wird erfindungsgemäß durch die Maschinenachse 14 übernommen. Einer besonderen Ausgestaltung des Maschinenabtriebsteils 15 oder der Führungseinrichtung 17 mit zusätzlichen Klemm- oder Blockiermitteln bedarf es nicht.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Maschinenachse 14 ist in 2 veranschaulicht. Die Maschinenachse 14 hat eine Kugelrollspindel 25, die sich entlang einer Längsachse L erstreckt. Die Längsachse L der Kugelrollspindel 25 ist in die Richtung ausgerichtet, in der das Maschinenabtriebsteil 15 linear bewegt werden soll. Beim hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Längsachse L daher in Vertikalrichtung V ausgerichtet. Wie bereits erwähnt, kann die Längsachse L auch unter einem Neigungswinkel α gegenüber der Vertikalrichtung V angeordnet sein, was schematisch in 3 veranschaulicht ist.
Die Kugelrollspindel 25 ist durch einen ansteuerbaren Motor 26 antreibbar. Bei dem Motor 26 handelt es sich insbesondere um einen Elektromotor bzw. Servomotor. Der Motor 26 ist beispielsgemäß koaxial zur Längsachse L angeordnet. Der Rotor des Motors 26 kann unmittelbar mit der Kugelrollspindel 25 verbunden sein. Alternativ kann zwischen dem Motor 26 und der Kugelrollspindel 25 auch eine Kopplungsmittel, wie etwa ein Antriebsriemen, und/oder ein Getriebe vorhanden sein. Der Motor 26 wird durch ein Motorsteuersignal M einer Steuereinrichtung 27 angesteuert.
An der Kugelrollspindel 25 ist eine Kugelumlaufmutter 28 angeordnet. Bei einer Rotation der Kugelrollspindel 25 um die Längsachse L wird die Kugelumlaufmutter 28 in Vertikalrichtung V entlang der Kugelrollspindel 25 bewegt. Abhängig vom Rotationssinn der Kugelrollspindel 25 kann sich die Kugelumlaufmutter 28 vertikal nach oben oder vertikal nach unten bewegen. Die Kugelumlaufmutter 28 ist derart gelagert, dass sie sich nicht gemeinsam mit der Kugelrollspindel 25 dreht. Das Maschinenabtriebsteil 15 bzw. der Werkstückträger 16 ist mit der Kugelumlaufmutter 28 bewegungsgekoppelt. Er bewegt sich mithin gemeinsam mit der Kugelumlaufmutter 28 vertikal nach oben oder nach unten, wenn die Kugelrollspindel 25 rotierend angetrieben wird. Durch diese Bewegungskopplung kann gleichzeitig die Rotation der Kugelumlaufmutter 28 um die Längsachse L verhindert werden.
In Vertikalrichtung V betrachtet ist die Kugelrollspindel 25 an mehreren in Vertikalrichtung V beabstandeten Stellen jeweils durch ein Radiallager drehbar gelagert, beispielsgemäß durch ein als Radiallager ausgebildetes oberes Lager 29 oberhalb der Kugelumlaufmutter 28 und ein als Radiallager ausgebildetes unteres Lager 30 unterhalb der Kugelumlaufmutter 28. Zusätzlich ist ein Axiallager 31 vorhanden, das das untere Ende der Kugelrollspindel 25 axial abstützt. Das Axiallager 31 und das untere Lager 30 könnten auch als kombiniertes Radial-Axial-Lager ausgeführt sein. Es ist auch möglich, das obere Lager 29 als Radial-Axial-Lager auszuführen und das untere Lager 30 als Radial-Lager. Bei einer weiteren Variante wird das obere Lager 29 als Radial-Axial-Lager ausgeführt und auf das untere Lager 30 verzichtet. Diese Variante wird auch als fliegende Lagerung bezeichnet.
Oberhalb des oberen Lagers 29 ist in die Kugelrollspindel 25 eine Kupplung 32 eingesetzt. Die Kupplung 32 verbindet eine Motorwelle 26a des Motors 26 mit einem oberen Spindelabschnitt 25a der Kugelrollspindel 25.
Die Maschinenachse 14 weist außerdem wenigstens einen Sensor 36 auf, der ein die Bewegung der Kugelumlaufmutter 28 bzw. des Maschinenabtriebsteils 15 und/oder dessen Position und/oder Positionsänderung beschreibendes Sensorsignal S erzeugt und an die Steuereinrichtung 27 übermittelt. Jeder Sensor 36 kann redundant vorhanden sein.
Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist einer der Sensoren 36 als Positionssensor 37 ausgeführt. Der Positionssensor 37 ist beispielsgemäß an der Kugelumlaufmutter 28 angeordnet. Er kann auch an einem anderen mit der Kugelumlaufmutter 28 bewegungsgekoppelten Teil vorhanden sein, beispielsweise am Maschinenabtriebsteil 15 bzw. dem Werkstückträger 16. Der Positionssensor 37 erzeugt ein Positionssensorsignal P, das an die Steuereinrichtung 27 übermittelt wird. Das Positionssensorsignal P beschreibt die Position und/oder die Positionsänderung der Kugelumlaufmutter 28 in Vertikalrichtung V. Hierfür kann der Positionssensor 37 mit einem an einer Maschinenbasis oder einem Maschinengestell ortsfest angeordneten Maßstab 38 zusammenarbeiten. Das Positionssensorsignal P kann die absolute Position in Vertikalrichtung V oder die Positionsänderung in Vertikalrichtung V beschreiben. Aus einer Positionsänderung kann die Steuereinrichtung 27 die aktuelle absolute Position in Vertikalrichtung V berechnen.
Die Maschinenachse 14 hat beim Ausführungsbeispiel einen weiteren Sensor 36, der durch einen Rotationssensor 55 gebildet ist. Der Rotationssensor 55 erzeugt ein Rotationssensorsignal R, das die Rotationslage der Kugelrollspindel 25 um die Längsachse L und/oder die Rotationslagenänderung um die Längsachse L beschreibt. Das Rotationssensorsignal R kann daher die absolute aktuelle Rotationslage oder die Änderung der Rotationslage beschreiben. Die Steuereinrichtung 27 kann aus der Änderung der Rotationslage gegebenenfalls die aktuelle Rotation ermitteln. Der Rotationssensor 55 kann beispielsweise mit einer drehfest an der Kugelrollspindel 25 angeordneten Sensorscheibe 39 zusammenarbeiten. Der Rotationssensor 55 tastet die Sensorscheibe 39 ab und erfasst dadurch entweder die absolute Rotationslage oder eine Rotationslagenänderung um die Längsachse L. Beispielsgemäß ist die Sensorscheibe 39 unmittelbar an der Kugelrollspindel 25 angeordnet und insbesondere am oberen Spindelabschnitt 25a. Alternativ hierzu könnte die Sensorscheibe 39 auch am Rotor des Motors 26 angeordnet sein oder an einem anderen Teil, das drehfest mit der Kugelrollspindel 25 verbunden ist.
Abhängig von den Sensorsignalen S und beispielsgemäß dem Positionssensorsignal P und dem Rotationssensorsignal R erzeugt die Steuereinrichtung 27 ein Bremssteuersignal B zur Ansteuerung einer oberen Bremseinheit 43 und einer unteren Bremseinheit 44 der Maschinenachse. Jede Bremseinheit 43, 44 kann als Reibungsbremse ausgestaltet sein. Beispielsgemäß hat jede Bremseinheit 43, 44 einen Aktuator 45 mit wenigstens einem Reibbelag, der mit einer Bremsscheibe 46 zusammenarbeitet. Die Bremsscheibe 46 einer Bremseinheit 43, 44 ist drehfest und bevorzugt unmittelbar mit der Kugelrollspindel 25 verbunden. Jede Bremseinheit 43, 44 kann über das Bremssteuersignal B von einem Lösezustand in einen Bremszustand oder umgekehrt vom Bremszustand in den Lösezustand umgeschaltet werden. Im Bremszustand beaufschlagt der Aktuator 45 die Bremsscheibe 46 und wirkt einer Rotation der Kugelrollspindel 25 um die Längsachse L entgegen. Im Freigabezustand behindern die Bremseinheiten 43, 44 die Rotation der Kugelrollspindel 25 nicht.
Die Bremseinheiten 43, 44 könnten alternativ zu Reibungsbremsen auch auf anderen Prinzipien beruhen, beispielsweise durch Wirbelstrombremsen oder dergleichen gebildet sein.
Erfindungsgemäß ist die obere Bremseinheit 43 oberhalb der Kugelumlaufmutter 28 und die untere Bremseinheit 44 unterhalb der Kugelumlaufmutter 28 angeordnet. Beim Ausführungsbeispiel ist die obere Bremseinheit 43 am oberen Spindelabschnitt 25a und die untere Bremseinheit 44 am unteren Spindelabschnitt 25b unmittelbar benachbart zum unteren Lager 30 angeordnet. Beispielsgemäß befindet sich die obere Bremseinheit 43 oberhalb des Motors 26.
Wie es in 2 schematisch veranschaulicht ist, können der Motor 26, die obere Bremseinheit 43 und der Rotationssensor 55 mit der Sensorscheibe 39 eine obere Baugruppe 56 bilden. Die untere Bremseinheit 44, das untere Lager 30 und das Axiallager 31 bilden eine untere Baugruppe 57 für die Kugelrollspindel 25.
Die erfindungsgemäße Maschinenachse 14 arbeitet wie folgt:
Die Steuereinrichtung 27 wertet das wenigstens eine Sensorsignal S und beispielsgemäß das Rotationssensorsignal R und das Positionssensorsignal P aus. Wird eine ungewollte Bewegung der Kugelumlaufmutter 28 erkannt, erzeugt die Steuereinrichtung 27 ein Bremssteuersignal B, das die Bremseinheiten 43, 44 in den Bremszustand umschaltet, um die Rotation der Kugelrollspindel 25 um die Längsachse L abzubremsen bzw. zu blockieren. Dadurch wird eine ungewollte Bewegung des Maschinenabtriebsteils 15 und beispielsgemäß des Werkstückträgers 16 in Vertikalrichtung V vermieden.
Auf einen Fehler kann beispielsweise geschlossen werden, wenn das wenigstens eine Sensorsignal S eine Rotation der Kugelrollspindel 25 bzw. eine Vertikalbewegung der Kugelumlaufmutter 28 anzeigt, obwohl der Motor 26 durch die Steuereinrichtung 27 nicht angetrieben wird. Das wenigstens eine Sensorsignal S kann somit mit der angeforderten Bewegung durch das Motorsteuersignal M verglichen werden und wenn die angeforderte Bewegung nicht mit der tatsächlich erfassten Bewegung übereinstimmt, wird auf einen Fehler geschlossen und die Bremseinheiten 43, 44 mittels der Bremssteuersignale B in den Bremszustand umgeschaltet.
Zusätzlich oder alternativ kann auch über das Rotationssensorsignal R erfasste Rotationsbewegung der Kugelrollspindel 25 mit der Vertikalbewegung verglichen werden, die durch das Positionssensorsignal P beschrieben wird. Entspricht die durch das Positionssensorsignal P beschriebene, erfasste Vertikalbewegung der Kugelumlaufmutter 28 einer ermittelten Vertikalbewegung, die sich aus der durch das Rotationssensorsignal R beschriebenen Rotationsbewegung der Kugelrollspindel 25 ergibt, arbeitet die Maschinenachse 14 korrekt. Ist eine solche Übereinstimmung nicht gegeben, wird auf einen Fehler geschlossen und die Steuereinrichtung 27 schaltet die Bremseinheiten 43, 44 in den Bremszustand um.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Übereinstimmung der Signale aus dem Positionssensorsignal P und dem Rotationssensorsignal R in der Steuerungseinrichtung 27 ein Schwellenwert zugeordnet, der überschritten werden muss, damit ein Bremsensteuersignal B erzeugt wird. Dadurch wird verhindert, dass bereits bei kleinen, beispielsweise durch mechanisches Spiel in der Kupplung 32 verursachten Abweichungen, die kleiner als der Schwellenwert sind, ein Bremsensteuersignal B erzeugt wird. Der Schwellenwert ist größer als die Positioniergenauigkeit der Maschine und kann beispielsweise das zwei- bis fünffache oder auch mehr dieses Wertes betragen.
Solange die Steuereinrichtung 27 keinen Fehler bei der Bewegung der Kugelumlaufmutter 28 erkennt, bleiben die Bremseinheiten 43, 44 in ihrem Lösezustand.
Dadurch, dass die Bremseinheiten 43, 44 auf entgegengesetzten Seiten bezüglich der Kugelumlaufmutter 28 angeordnet sind, kann auch bei einem Bruch der Kugelrollspindel 25 stets ein sicheres Abbremsen der Vertikalbewegung der Kugelumlaufmutter 28 bzw. des Maschinenabtriebsteils 15 - und hier des Werkstückträgers 16 - erfolgen. Bricht die Kugelrollspindel 25 oberhalb der Kugelumlaufmutter 28, ist die obere Bremseinheit 43 wirkungslos und kann eine ungewollte Bewegung der Kugelumlaufmutter 28 durch Blockieren der Kugelrollspindel 25 nicht mehr verhindern. Diese Bewegung wird jedoch durch den Bremszustand der unteren Bremseinheit 44 unterbunden, die nach wie vor auf den Teil der Kugelrollspindel 25 einwirkt, der noch mit der Kugelumlaufmutter 28 verbunden ist.
Bei einem anderen Fall, wenn die Kugelrollspindel 25 unterhalb der Kugelumlaufmutter 28 bricht, ist zwar die untere Bremseinheit 44 wirkungslos, jedoch kann die Rotation des Teils der Kugelrollspindel 25, der noch mit der Kugelumlaufmutter 28 verbunden ist, mittels der oberen Bremseinheit 43 wirksam unterbunden werden.
Durch die Anordnung der Bremseinheiten 43, 44 kann somit eine gefährliche Situation durch eine ungewollte Bewegung der Kugelumlaufmutter 28 in Vertikalrichtung unterbunden werden. Dadurch wird eine am Maschinenabtriebsteil 15 angeordnete Last, beispielsweise ein Werkstück 12, gegen eine unkontrollierte Bewegung gesichert und in einer entsprechenden aktuellen Position gehalten. Die Gefahr von Personen- und Sachschäden ist erheblich reduziert.
Ein die Sicherheit weiter verbesserndes Ausführungsbeispiel der Kugelumlaufmutter 28 ist in 3 veranschaulicht. Die Kugelumlaufmutter 28 hat einen Kugelgewindeabschnitt 50 sowie einen kugelfreien Gewindeabschnitt 51. In dem Kugelgewindeabschnitt 50 sind mehrere Kugeln 52 zwischen dem Außengewinde der Kugelrollspindel 25 und der Kugelumlaufmutter 28 angeordnet. Die Kugeln 52 treten bekanntlich durch die Drehbewegung der Kugelrollspindel 25 nacheinander zwangsläufig aus dem Kugelgewindeabschnitt 50 aus, und zwar je nach Drehrichtung oben oder unten. Diese Kugeln werden dann durch einen nicht dargestellten Rückführkanal auf die der Austrittsseite gegenüberliegende Seite der Kugelumlaufmutter 28 transportiert.
An den Kugelgewindeabschnitt 50 schließt sich axial benachbart der kugelfreien Gewindeabschnitt 51 an. Anstelle der Kugeln 52 ist in dem kugelfreien Gewindeabschnitt 51 ein Innengewinde 53 angeordnet, das in die Gewindebahn des Außengewindes der Kugelrollspindel 25 eingreift. Im fehlerfreien Zustand erfolgt die Lagerung der Kugelumlaufmutter 28 an der Kugelrollspindel 25 ausschließlich mittels der Kugeln 52 im Kugelgewindeabschnitt 50. Bei einem Verlust der Kugeln 52, einem Bruch oder durch starken Verschleiß, erhöht sich das axiale Spiel und das Innengewinde 53 des kugelfreien Gewindeabschnitts 51 gelangt in Eingriff mit dem Außengewinde der Kugelrollspindel 25. Dadurch wird stets ein Gewindeeingriff sichergestellt und ein unkontrolliertes Bewegen der Kugelumlaufmutter 28 entlang der Kugelrollspindel 25 kann verhindert werden.
Die Erfindung betrifft eine Maschinenachse 14, insbesondere Linearachse, sowie eine Werkzeugmaschine 10 mit einer solchen Maschinenachse 14. Die Maschinenachse 14 hat eine sich entlang einer Längsachse L erstreckende Kugelrollspindel 25, an der bewegbar eine Kugelumlaufmutter 28 angeordnet ist. Ein Motor 26 ist zum rotierenden Antreiben der Kugelrollspindel 25 um die Längsachse eingerichtet. Die Maschinenachse 14 hat eine obere Bremseinheit 43 oberhalb der Kugelumlaufmutter 28 und eine untere Bremseinheit 44 unterhalb der Kugelumlaufmutter 28. Die Bremseinheiten 43, 44 sind dazu eingerichtet, in einem Bremszustand der Rotation der Kugelrollspindel 25 entgegenzuwirken. Über eine Steuereinrichtung 27 kann der Motor 26 und die Bremseinheiten 43, 44 angesteuert werden. Stellt die Steuereinrichtung 27 einen Fehler der Maschinenachse 14 fest, werden die Bremseinheiten 43, 44 in den Bremszustand umgeschaltet. Dabei können die Bremseinheiten 43, 44 mit demselben Bremssteuersignal B angesteuert werden, so dass sie jeweils gemeinsam in den Bremszustand bzw. einen Lösezustand umgeschaltet werden.
Bezugszeichenliste

10: Werkzeugmaschine
11: Arbeitsraum
12: Werkstück
13: Werkzeug
14: Maschinenachse
15: Maschinenabtriebsteil
16: Werkstückträger
17: Führungseinrichtung
18: Verkleidung
19: Tür
25: Kugelrollenspindel
25a: oberer Spindelabschnitt
25b: unterer Spindelabschnitt
26: Motor
26a: Motorwelle
27: Steuereinrichtung
28: Kugelumlaufmutter
29: oberes Lager
30: unteres Lager
31: Axiallager
32: Kupplung
36: Sensor
37: Positionssensor
38: Maßstab
39: Sensorscheibe
43: obere Bremseinheit
44: untere Bremseinheit
45: Aktuator
46: Bremsscheibe
50: Kugelgewindeabschnitt
51: kugelfreier Gewindeabschnitt
52: Kugel
53: Innengewinde
55: Rotationssensor
56: obere Baugruppe
57: untere Baugruppe
α: Neigungswinkel
B: Bremssteuersignal
L: Längsachse
M: Motorsteuersignal
S: Sensorsignal
P: Positionssensorsignal
R: Rotationssensorsignal
V: Vertikalrichtung

Claims

Maschinenachse (14) für eine Werkzeugmaschine (10), mit einer in einer Vertikalrichtung (V) oder unter einem spitzen Neigungswinkel (α) gegenüber der Vertikalrichtung (V) schräg geneigt angeordneten Kugelrollspindel (25), mit einem ansteuerbaren Motor (26), der dazu eingerichtet ist, die Kugelrollspindel (25) rotierend anzutreiben, mit einer Kugelumlaufmutter (28), die bewegbar entlang der Kugelrollspindel (25) gelagert ist, und die mit einem Maschinenabtriebsteil (15) bewegungsgekoppelt ist, um das Maschinenabtriebsteil (15) zu bewegen, mit einer ansteuerbaren oberen Bremseinheit (43), die oberhalb der Kugelumlaufmutter (28) angeordnet ist und mit einer ansteuerbaren unteren Bremseinheit (44), die unterhalb der Kugelumlaufmutter (28) angeordnet ist, wobei die Bremseinheiten (43, 44) jeweils dazu eingerichtet sind, in einem Bremszustand der Rotation der Kugelrollspindel (25) entgegenzuwirken, und mit einer Steuereinrichtung (27) zur Ansteuerung des Motors (26) und der Bremseinheiten (43, 44).
Maschinenachse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Sensor (36) zur Erfassung einer die Bewegung der Kugelumlaufmutter (28) beschreibenden Bewegungsgröße vorhanden ist, der ein die Bewegungsgröße beschreibendes Sensorsignal (S) an die Steuereinrichtung (27) übermittelt.
Maschinenachse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (27) dazu eingerichtet ist, das wenigstens eine Sensorsignal auszuwerten und abhängig vom Auswerteergebnis die Bremseinheiten (43, 44) in den Bremszustand umzuschalten.
Maschinenachse nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Positionssensor (37) gemeinsam bewegbar mit der Kugelumlaufmutter (28) angeordnet ist, der dazu eingerichtet ist, eine Position oder eine Positionsänderung der Kugelumlaufmutter (28) entlang der Kugelrollspindel (25) zu erfassen und ein entsprechendes Positionssensorsignal (P) an die Steuereinrichtung (27) zu übermitteln.
Maschinenachse nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Rotationssensor (55) vorhanden ist, der dazu eingerichtet ist, eine Rotationsposition oder eine Rotation der Kugelrollspindel (25) zu erfassen und ein entsprechendes Rotationssensorsignal (R) an die Steuereinrichtung (27) zu übermitteln.
Maschinenachse nach den Ansprüchen 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (27) dazu eingerichtet ist, die Bremseinheiten (43, 44) in den Bremszustand umzuschalten, wenn die Auswertung ergibt, dass das wenigstens eine Rotationssensorsignal (R) eine Bewegung der Kugelumlaufmutter (28) beschreibt, die nicht mit der durch das wenigstens eine Positionssensorsignal (P) beschriebenen Bewegung der Kugelumlaufmutter (28) übereinstimmt.
Maschinenachse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des Neigungswinkels (α) kleiner ist als 45° oder kleiner als 30° oder kleiner als 15°.
Maschinenachse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelrollspindel (25) mittels eines oberen Lagers (29) oberhalb der Kugelumlaufmutter (28) drehbar gelagert ist.
Maschinenachse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Bremseinheit (43) oberhalb des oberen Lagers (29) angeordnet ist.
Maschinenachse nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (26) oberhalb des oberen Lagers (29) angeordnet ist.
Maschinenachse nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Motor (26) und dem oberen Lager (29) eine Kupplung (32) angeordnet ist.
Maschinenachse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Bremseinheit (43) oberhalb des Motors (26) angeordnet ist.
Maschinenachse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelrollspindel (25) mittels eines unteren Lagers (30) unterhalb der Kugelumlaufmutter (28) drehbar gelagert ist, und dass die untere Bremseinheit (44) unmittelbar benachbart zu dem unteren Lager (30) angeordnet ist.
Maschinenachse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelumlaufmutter (28) als Sicherheitsmutter mit einem kugelfreien Gewindeabschnitt (51) ausgeführt ist.
Werkzeugmaschine (10) mit einem für eine Bedienperson zugänglichen Arbeitsraum (11), in dem eine Maschinenachse (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet ist.