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Die Erfindung betrifft eine Maschinenspindelanordnung, insbesondere für Werkzeugmaschinen, weiter insbesondere für Werkzeugmaschinen, bei denen eine radiale Feinverstellbarkeit der Arbeitsspindel in wenigstens einer Radialrichtung gewünscht ist.
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Es ist bekannt, dass Maschinenspindeln einer elastischen Verformung, beispielsweise infolge von Schwerkraft, unterliegen können, welche Verformung es zu korrigieren gilt.
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Die
DE 10 2017 212 276 A1 offenbart eine Maschinenspindelanordnung mit einem Spindelgehäuse, das einen Durchgang zur Aufnahme einer drehbar angeordneten Spindel aufweist. Die Spindel ist mittels mehrerer Wälzlager drehbar gelagert. In dem Spindelgehäuse sind an den Axialpositionen, an denen die Wälzlager angeordnet sind, Hydraulikkammern ausgebildet, die druckbeaufschlagbar sind. Mittels gezielter Druckbeaufschlagung der die Wälzlager umgebenden Kammern können Schwingungsmoden der Werkzeugspindel zweckentsprechend eingestellt oder verändert werden.
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Die
DE 34 23 495 C2 offenbart zur Verformungskorrektur eine Vorgehensweise, mit der sich eine Spindeldurchbiegung durch einen an dem Spindelgehäuse einwirkenden Zugstab kompensieren lässt, der hydraulisch gespannt wird. Die schwerkraftbedingte Durchbiegung der Maschinenspindel kann dadurch kompensiert werden.
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Eine ähnliche Vorgehensweise schlägt die
EP 2 497 598 A1 vor, bei der ein hydraulisch betätigtes Zugrohr und ein sich koaxial durch das Rohr erstreckender Zugstab vorgesehen sind, um an zwei axial eng benachbarten Stellen eines oberen Abschnitts des horizontal orientierten Spindelgehäuses an dessen werkzeugnahen Ende eine Zugkraft einzuleiten.
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Der Anschluss von Zugstäben an das werkzeugseitige Ende eines Spindelgehäuses erfordert Ausnehmungen und Strukturen, die einen Raumbedarf haben, für den konstruktiv entsprechender Platz vorzusehen ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung ein Konzept anzugeben, das insoweit mehr konstruktive Freiheitsgrade gestattet.
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Diese Aufgabe wird mit der Maschinenspindelanordnung nach Anspruch 1 gelöst:
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Die erfindungsgemäße Maschinenspindelanordnung umfasst ein Spindelgehäuse mit einem zentralen Durchgang und einer darin drehbar gelagert angeordneten Spindel, die an ihrem freien Ende eine Spindelaufnahme zur Aufnahme von Werkzeugen oder Werkzeughaltern aufweist. Zur drehbaren Lagerung der Spindel in dem Spindelgehäuse ist mindestens ein Lager, vorzugsweise ein Wälzlager vorgesehen, das typischerweise an dem der Spindelaufnahme nahen Ende des Spindelgehäuses angeordnet ist. Das Spindelgehäuse trägt einerseits das Lager und ist andererseits mit einer Maschinenstruktur verbunden. Die Spindelanordnung kann dazu von einem Schlitten getragen sein, der in ein oder mehreren Raumrichtungen verstellbar gelagert ist. Die Bewegung des Schlittens wird von einer Maschinensteuerung gesteuert, wie es bei Werkzeugmaschinen üblich ist. Die Nutzung einer insbesondere in dem Körper des Spindelgehäuses untergebrachten druckbeaufschlagbaren Kammer zur Herbeiführung einer gewünschten Verformung ist eine platzsparende Lösung, die insbesondere in der Nähe des Lagers der Spindel geringen Raumbedarf hat.
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Bei dem Spindelgehäuse kann es sich um ein einteiliges oder ein mehrteiliges Gehäuse handeln. Es kann aus mehreren einzelnen Spindelgehäusen bestehen, die bezogen auf die Drehachse der Spindel axial gegeneinander verstellbar sind. Das Spindelgehäuse kann auch eine Baueinheit sein, die mit dem Schlitten oder einem Antriebsmotor oder anderen Maschinenkomponenten fest, d.h. axial unverstellbar verbunden ist. Das Spindelgehäuse kann bedarfsweise auch mit anderen Maschinenelementen, wie z.B. einem Motorengehäuse, einem Getriebegehäuse oder dergleichen einteilig (fugen- oder nahtlos) verbunden sein.
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Das Spindelgehäuse weist mindestens eine, vorzugsweise mehrere Kammern auf, die kontrollierbar mit einem unter Druck stehenden, vorzugsweise flüssigen Medium, wie beispielsweise Öl oder einer andere Hydraulikflüssigkeit, beaufschlagbar sind. Zur kontrollierten Druckbeaufschlagung ist eine Steuereinrichtung vorgesehen. Die Steuereinrichtung kann dafür vorgesehen sein, die eine Kammer oder die mehreren Kammern mit Fluid zu beaufschlagen, dessen Druck eine vorgegebene Größe aufweist oder einem vorgegebenen Zeitverlauf folgt. Alternativ kann die Steuereinrichtung dazu vorgesehen sein, den Druck in der Kammer oder in den Kammern in Abhängigkeit von Ereignissen zu steuern. In beiden Ausführungsvarianten kann vorgesehen sein, die Kammern einzeln oder gruppenweise mit gleichen oder unterschiedlichen zeitlich konstanten oder zeitlich veränderlichen Drücken zu beaufschlagen. Ereignisse, in deren Abhängigkeit der Druck gesteuert wird, können z.B. das Ein- oder Auswechseln bestimmter Werkzeuge, die Erfassung einer Veränderung der Spindelposition, die Feststellung einer Positionsabweichung des von der Spindel getragenen Werkzeugs oder die Feststellung einer Maßabweichung an einem bearbeiteten Werkstück oder ähnliches sein.
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Sind in dem Spindelgehäuse mehrere Kammern vorgesehen, die mit der Steuereinrichtung verbunden sind, kann das Spindelgehäuse an unterschiedlichen Stellen seines Umfangs unterschiedlichen Dehnungen unterworfen werden. Die Kammern können in Radialrichtung und/oder in Umfangsrichtung und/oder in Axialrichtung voneinander beabstandet sein, wobei die Axialrichtung von der Drehachse der Spindel vorgegeben ist und alle Radialrichtungen die Axialrichtung rechtwinklig scheiden. Die Umfangsrichtung liegt tangential zu einem konzentrisch zur Drehachse gedachten Kreis.
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Durch unterschiedliche Druckbeaufschlagung verschiedener Kammern oder selektive Druckbeaufschlagung nur einer Kammer oder einiger Kammern kann eine durch äußere Kräfte, durch thermische Einwirkung oder sonstige Einflüsse bedingte Biegung des Spindelgehäuses kompensiert werden. Andererseits kann eine gewünschte Biegung des Spindelgehäuses, d.h. eine radiale Verstellung der Spindelachse auch bewusst herbeigeführt und in ihrer Größe wie gewünscht eingestellt werden. Es kann sich bei den durch die Druckbeaufschlagung der Kammern hervorgerufenen Verformungen des Spindelgehäuses um eine einfache Verformung handeln, bei der das Spindelgehäuse lediglich um ein einziges Krümmungszentrum gekrümmt ist. Es kann sich bei den zu erzielenden Verformungen auch um eine doppelte oder mehrfache Verformung handeln, bei denen das Spindelgehäuse um mehrere Krümmungszentren gekrümmt ist.
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Vorzugsweise handelt es sich bei der Maschinenspindelanordnung um eine Anordnung mit zwei oder mehreren Spindelgehäusen, in denen zwei oder mehrere, vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete Spindeln drehbar gelagert sind. Wenn wenigstens eine der Spindelgehäuse mit wenigstens einer druckbeaufschlagbaren Kammer versehen ist, kann das betreffende Spindelgehäuse durch Druckbeaufschlagung der Kammer etwas verformt und dadurch der Abstand zwischen den beiden Spindelaufnahmen geringfügig verstellt werden. Dies gilt insbesondere, wenn die wenigstens eine Kammer in oder an einer Ebene angeordnet ist, die durch die beiden Drehachsen der beiden Spindeln festgelegt ist. Unter einer geringfügigen Verstellung wird dabei typischerweise ein Verstellweg verstanden, der kleiner als 1 mm, vorzugsweise kleiner als 1/10 mm ist. Prinzipiell kann das erfindungsgemäße Prinzip aber auch für Verstellwege über 1 mm Anwendung finden.
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Vorzugsweise sind alle Spindelgehäuse der Maschinenspindelanordnung mit entsprechenden druckbeaufschlagbaren Kammern versehen, um den Abstand zwischen den einzelnen Spindeln verändern zu können.
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Durch die gezielte Druckbeaufschlagung der Kammern mit festgelegten oder auch wechselnden Drücken können Fehlereinflüsse, beispielsweise durch Temperaturänderung der Werkzeugmaschine, Schwerkrafteinflüsse oder auch Einflüsse unterschiedlicher Werkzeuggewichte kompensiert werden.
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Vorzugsweise weist ein Spindelgehäuse mehrere druckbeaufschlagbare Kammern auf, wobei die Kammern vorzugsweise derart angeordnet und/oder die Druckbeaufschlagung der Kammern derart eingerichtet ist, dass ein Verzug des Spindellagers minimiert oder jedenfalls unterhalb zulässiger Toleranzgrenzen gehalten wird.
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Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen, der Zeichnung oder der zugehörigen Beschreibung. In der Zeichnung sind mehrere Figuren enthalten. Es zeigen:
- 1 eine Werkzeugmaschine, in schematischer Darstellung,
- 2 eine Spindel der Werkzeugmaschine nach 1, in schematischer Schnittdarstellung,
- 3 eine Querschnittsdarstellung eines Spindelgehäuses einer erfindungsgemäßen Maschinenspindelanordnung, in Prinzipdarstellung,
- 4 eine abgewandelte Ausführungsform des Spindelgehäuses einer erfindungsgemäßen Maschinenspindelanordnung,
- 5 eine schematische Darstellung eines Spindelgehäuses und seiner Verformung bei einfacher Krümmung,
- 6 eine schematische Darstellung des Spindelgehäuses und seiner Verformung bei doppelter Krümmung,
- 7 eine schematische Darstellung einer Doppelspindelanordnung mit zwei im Abstand zueinander verstellbaren Spindeln,
- 8 eine Spindelanordnung mit Zugstabeinrichtung zur einseitigen Krafteinleitung und die Auswirkung auf die Gehäuseverformung, in schematischer Darstellung,
- 9 ein Spindelgehäuse mit mehreren unterschiedlich druckbeaufschlagten Kammern und der Auswirkung der Druckbeaufschlagung der einzelnen Kammern auf die Verformung des Spindelgehäuses, in schematischer Darstellung.
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In 1 ist eine Werkzeugmaschine 10 veranschaulicht, die zur Bearbeitung von Werkstücken dient, die auf einem • Werkstückaufspannplatz 11 aufzuspannen sind. Dieser kann je nach Ausführungsform der Werkzeugmaschine 10 ortsfest oder entlang einer oder mehrerer Achsen linear oder schwenkbar beweglich ausgeführt sein. Dem Werkstückaufspannplatz 11 ist eine Werkzeugspindelanordnung 12 zugeordnet, zu der mindestens eine, vorzugsweise aber zwei oder mehrere Maschinenspindeln 13, 14 gehören. Die beiden Maschinenspindeln 13, 14 sind beispielsweise von einem Schlitten 15 getragen, der in einer oder mehreren Raumrichtungen bewegbar ist. Die Bewegung desselben untersteht der Steuerung einer nicht weiter veranschaulichten Maschinensteuerung, die typischerweise auch die Antriebsmotoren der beiden Maschinenspindeln 13, 14 steuert.
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Die erste Maschinenspindel 13 und die zweite Maschinenspindel 14 können gleich oder unterschiedlich aufgebaut sein. Mindestens eine von ihnen weist eine hydraulische, nachfolgend beschriebene Verstelleinrichtung auf. Sofern die andere Maschinenspindel 14 ebenfalls eine Verstelleinrichtung aufweist gilt die nachfolgende Beschreibung der ersten Maschinenspindel 13 für die zweite Maschinenspindel 14 sowie gegebenenfalls vorhandene weitere Maschinenspindeln entsprechend.
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Die erste Maschinenspindel 13 weist ein Spindelgehäuse 16 auf, das nach Art eines Rohres ein- oder mehrteilig ausgebildet ist, und eine Durchgangsöffnung 17 begrenzt. Durch die Durchgangsöffnung 17 erstreckt sich eine Spindel 18, die mittels eines Lagers 19 in dem Spindelgehäuse 16 drehbar gelagert ist. Das Lager 19 ist vorzugsweise ein aus einem oder mehreren Wälzlagern bestehende Anordnung, wobei auch andere Lagerprinzipien zur Anwendung kommen können. Vorzugsweise ist das Lager 19 in der Nähe eines Endes 20 der Spindel 18 angeordnet, an dem eine Spindelaufnahme 21 zur Aufnahme von Werkzeugschäften, Schäften von Werkzeughaltern oder dergleichen, ausgebildet ist. Es kann sich ein weiteres, jedoch nicht veranschaulichtes Lager an dem gegenüber liegenden, von der Spindelaufnahme 21 fern liegenden Ende befinden, um die Spindel 18 radial und, falls gewünscht axial, abzustützen und drehbar zu lagern.
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An dem gegenüber liegenden, von der Spindelaufnahme 21 fern liegenden Ende des Spindelgehäuses 16 ist dieses mit dem Schlitten 15, einem Antriebsmotor oder sonstigen Maschinenelementen, verbunden. Dazu kann ein Verbindungsflansch 22 oder eine sonstige Verbindungsanordnung vorgesehen sein.
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Das Spindelgehäuse 16 ist ein vorzugsweise ein- oder mehrteiliges aus Metall bestehendes Bauteil mit rohrartiger Grundkonfiguration. Alternativ kann das Spindelgehäuse 16 auch aus einem faserverstärkten Kunststoff wie beispielsweise CFK oder GFK hergestellt sein. In dem Körper des Spindelgehäuses 16 ist mindestens eine Kammer 23 ausgebildet, die vorzugsweise als längsorientierte an beiden Enden geschlossene Bohrung ausgebildet ist. Dabei wird die Längsrichtung L als Parallele zur Drehachse 24 der Spindel 18 begriffen. Entsprechend sind gemäß 2 auch die Radialrichtung R als Radialrichtungen bezüglich der Drehachse 24 und die Umfangsrichtung U als ringsum die Drehachse 24 führende Richtung zu begreifen.
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Die Kammer 23 ist an eine Steuereinrichtung 25 angeschlossen, mittels derer die Kammer 23 beispielsweise über ein Schalt- oder Regulierventil 26 mit einer Druckquelle 27 verbindbar ist. Diese kann zur Abgabe eines Drucks vorgegebener Größe oder auch zur Abgabe von variablem Druck eingerichtet sein. Zur Steuerung des Schalt- oder Regulierventils 26 sowie zur Steuerung der Druckquelle 27 kann eine Steuereinheit 28 dienen, die zum Beispiel durch von der Maschinensteuerung kommende Signale 29 steuerbar ist.
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Das von der Druckquelle 27 abgegebene Druckmittel kann Hydrauliköl, Maschinenöl, Kühl/Schmiermittel oder eine andere Hydraulikflüssigkeit sein.
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Wie 3 erkennen lässt, können in dem Spindelkörper 16 zusätzlich zu der Kammer 23 weitere Kammern 23a bis 23o vorgesehen sein, die sich vorzugsweise ausnahmslos in Längsrichtung L über den größeren Teil der Länge des Spindelgehäuses 16 erstrecken. In Umfangsrichtung U können die Kammern 23, 23a bis 23o gleichmäßig voneinander beabstandet sein. Die Anzahl der Kammern 23, 23a bis 23o, kann von der dargestellten Anzahl abweichen. Vorzugsweise sind mindestens drei Kammern vorgesehen, um das Spindelgehäuse 16 in allen Radialrichtungen elastisch verformen zu können. Die Kammern 23, 23a bis 23o, können, wie dargestellt, auf gleichem Radius zu der Drehachse 24 oder auch in wechselnden Abständen zu dieser angeordnet sein. Vorzugsweise weisen die Kammern 23, 23a bis 23o, gleiche Querschnitte und Längen auf. Es ist jedoch auch möglich, die Querschnitte und/oder Längen der einzelnen Kammern 23, 23a bis 23o, zu variieren.
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Wie 4 erkennen lässt, ist es ebenfalls möglich, von der Zylinderform abweichende Formen für das Spindelgehäuse 16 zu nutzen. Beispielsweise kann das Spindelgehäuse 16 einen polygonal begrenzten Querschnitt aufweisen, wobei die einzelnen Kammern 23 mit gleichen oder unterschiedlichen Querschnitten in gleichen oder unterschiedlichen Abständen um die Durchgangsöffnung 17 herum gruppiert sein können und sich wiederum in Längsrichtung durch das Spindelgehäuse 16 erstrecken.
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Die Steuereinrichtung 25 kann darauf eingerichtet sein, einzelne Kammern oder mehrere Kammern mit gleichen oder unterschiedlichen Drücken zu beaufschlagen. Eine Beaufschlagung einer ausgewählten Gruppe von Kammern, beispielsweise der Kammern 23e bis 23k, mit einem Fluiddruck führt wie 5 symbolisch andeutet, zu einer einfachen Krümmung des Spindelgehäuses 16. Damit wird eine Verlagerung der Drehachse 24 erzielt, wie in 5 durch einen Pfeil 30 symbolisiert ist. Die Druckbeaufschlagung seitlicher Kammern wie beispielsweise 23k bis 23n oder 23b bis 23g kann dagegen zu einer seitlichen Verstellung führen wie es 7 für zwei Maschinenspindeln 13, 14 veranschaulicht. Damit lässt sich der Abstand der Drehachsen 24 der beiden Maschinenspindeln 13, 14 untereinander verstellen.
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Es ist auch möglich, die Kammern 23, 23a bis 23o, in unterschiedlichen Längspositionen anzuordnen oder in Längsrichtung zu unterteilen, um das Spindelgehäuse 16 an unterschiedlichen Längs- und Umfangspositionen mit unterschiedlichen Zugspannungen zu beaufschlagen, die durch unterschiedliche Druckbeaufschlagung entsprechender Kammern oder Kammerabschnitte 23', 23h' erreicht werden kann. Damit wird ersichtlich, dass das Prinzip der hydraulischen Druckbeaufschlagung verschiedener Kammern des Spindelgehäuses 16 vielfältige neue Gestaltungsmöglichkeiten eröffnet.
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Die einzelnen Kammern
23,
23a,
23b, usw. können, wie
9 symbolisch veranschaulicht, mit unterschiedlichen Drücken beaufschlagt werden, so dass die in dem Spindelgehäuse
16 auftretenden Zugspannungen entlang des Umfangs eine allmähliche Änderung aufweisen. Im Gegensatz dazu führt eine punktuelle Krafteinleitung, beispielsweise mittels einer Zugstange
31 und eines entsprechenden Zugkopfes
32, wie es aus der
EP 2 497 598 A1 bekannt ist, zu einer punktuellen Krafteinleitung, was eine bei entsprechender Nähe zu dem Lager
19 zu einer Lagerverformung führen kann. Eine solche Lagerverformung wird bei entsprechend angepasster Druckbeaufschlagung von einigen bis vielen um den Umfang verteilten Kammern
23,
23a bis
23o vermieden.
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Eine erfindungsgemäße Maschinenspindelanordnung umfasst mindestens eine, vorzugsweise wenigstens zwei Maschinenspindeln, von denen wenigstens eine, vorzugsweise beide oder alle ein Spindelgehäuse aufweisen, das jeweils mindestens eine, vorzugsweise mehrere, Kammern aufweist, die kontrolliert mit einem unter Druck stehenden Fluid beaufschlagbar sind. Die Druckbeaufschlagung solcher sich vorzugsweise in Längsrichtung erstreckender Kammern dient zur gezielten Verformung des Spindelgehäuses, um den Abstand benachbarter Spindeln zueinander feinjustieren zu können.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Werkzeugmaschine
- 11
- Werkstückaufspannplatz
- 12
- Werkzeugspindelanordnung
- 13
- erste Maschinenspindel
- 14
- zweite Maschinenspindel
- 15
- Schlitten
- 16
- Spindelgehäuse
- 17
- Durchgangsöffnung
- 18
- Spindel
- 19
- Lager
- 20
- Ende der Spindel 18
- 21
- Spindelaufnahme
- 22
- Verbindungsflansch
- 23
- Kammer, sowie Kammern 23a bis 23o
- L
- Längsrichtung
- 24
- Drehachse
- R
- Radialrichtung
- U
- Umfangsrichtung
- 25
- Steuereinrichtung
- 26
- Schalt- oder Regulierventil
- 27
- Druckquelle
- 28
- Steuereinheit
- 29
- Signale
- 30
- Pfeil
- 31
- Zugstab
- 32
- Zugkopf
