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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wellenkupplung zum Verbinden eines Werkzeughalters mit der Motorwelle einer Werkzeugmaschine.
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HINTERGRUND
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Wellenkupplungen werden bei einer Vielzahl von Werkzeugmaschinen (z.B. Bohrmaschinen, Drehmaschinen, Schleifmaschinen, etc.) eingesetzt, bei denen ein rotierbares Werkzeug mit der Antriebswelle (z.B. Motorwelle oder Ausgangswelle eines Getriebes) einer Werkzeugmaschine verbunden werden soll. Das Werkzeug kann dabei an einer kurzen Welle montiert sein, die als Werkzeughalter (tool holder) bezeichnet wird. Die Antriebswelle einer Werkzeugmaschine wird häufig auch als Spindel bezeichnet und weist einen Mechanismus auf, mit dessen Hilfe der Werkzeughalter samt Werkzeug mit der Motorwelle mechanisch gekoppelt werden kann. Dieser Mechanismus umfasst beispielsweise eine Spannzange (collet), die dazu ausgebildet ist, einen Anzugsbolzen (pull stud) des Werkzeughalters zu greifen und den Werkzeughalter kraftschlüssig mit der Motorwelle zu verbinden.
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Die kraftschlüssige Verbindung zwischen Werkzeughalter und Motorwelle wird üblicherweise mit Hilfe eines Kegelsitzes realisiert. Werkzeughalter werden daher auch häufig als Werkzeugkegel (tool cone) bezeichnet. Die Spannzange kann beispielsweise pneumatisch betätigt werden. In diesem Fall zieht ein pneumatischer Aktor mit der Spannzange den Werkzeugkegel (am Anzugsbolzen) gegen einen korrespondierenden Innenkegel in der Motorwelle (Spindel), wodurch eine kraftschlüssige Kopplung zwischen Motorwelle und Werkzeugkegel erzeugt wird.
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Bei kleinen, kompakt konstruierten Werkzeugmaschinen ist der Platz für den erwähnten Aktor, der die Spannzange betätigt, vergleichsweise klein; und aus diesem Grund ist die erzeugbare Aktorkraft, die zum Spannen des Werkzeugkegels in der Spindel zur Verfügung steht, auch relativ klein. Das hat zur Folge, dass der Kegelsitz zwischen Werkzeugkegel und Spindel nicht ausreichend Drehmoment übertragen kann und die Gefahr besteht, dass der Kegelsitz zu rutschen beginnt.
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Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann also darin gesehen werden, eine Wellenkupplung für Werkzeugmaschinen zur Verfügung zu stellen, die bei relativ kleiner Baugröße eine einwandfreie Drehmomentübertragung zwischen Spindel und Werkzeughalter ermöglicht.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die oben genannte Aufgabe wird durch Vorrichtungen gemäß den Ansprüchen 1 und 8 gelöst. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Im Folgenden wird eine Vorrichtung beschrieben, die gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Spindel für eine Werkzeugmaschine, einen Mitnehmerring und einen Werkzeughalter aufweist. Der Mitnehmerring ist an der Spindel gelagert und ist entlang einer Drehachse der Spindel verschiebbar. Die Spindel und der Werkzeughalter weisen korrespondierende Flächen auf, welche dazu ausgebildet sind, in (aneinander) montiertem Zustand eine kraftschlüssige Verbindung zu bilden. In montierten Zustand gegenüberliegende Flächen des Werkzeughalters und des Mitnehmerring weisen korrespondierende Konturen auf, sodass der Mitnehmerring an dem Werkzeughalter einrasten kann.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung eine Spindel für eine Werkzeugmaschine, einen an der Spindel gelagerten Mitnehmerring und einen Werkzeughalter auf. Die Spindel ist als Hohlwelle mit einem Innenkegel ausgebildet ist. Der Mitnehmerring ist entlang einer Drehachse der Spindel verschiebbar, und der Werkzeughalter weist einen zum Innenkegel passenden Außenkegel auf, wobei Innenkegel und Außenkegel im montierten Zustand einen Kegelsitz bilden, und wobei im montierten Zustand gegenüberliegende Flächen des Werkzeughalters und des Mitnehmerring korrespondierende Konturen aufweisen, sodass der Mitnehmerring an dem Werkzeughalter einrasten kann.
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In einem Ausführungsbeispiel bewirkt im montierten Zustand der Kegelsitz eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Spindel und Werkzeughalter, während der eingerastete Mitnehmerring zusätzlich eine formschlüssige Verbindung zwischen Spindel und Werkzeughalter bewirkt. Der Werkzeughalter kann gemäß einem Ausführungsbeispiel einen Anzugsbolzen aufweisen, der so geformt ist, dass der Werkzeughalter am Anzugsbolzen mittels einer Spannzange gegen die Spindel gepresst werden kann.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der der Werkzeughalter eine Platte aufweisen, die sich in Bezug auf eine Drehachse des Werkzeughalters in einer radialen Richtung erstreckt und die auf einer dem Mitnehmerring gegenüber liegenden Oberfläche eine geometrische Struktur (beispielsweise in Form von Stegen oder ähnlichem) aufweist. Der Mitnehmerring kann an seiner der Platte gegenüber liegenden Oberfläche eine geometrische Struktur (beispielsweise in Form von Nuten oder ähnlichem) aufweisen, wobei die geometrische Struktur an der Oberfläche der Platte und die geometrische Struktur an der Oberfläche des Mitnehmerrings korrespondierende Konturen aufweisen, sodass die geometrische Struktur an der Oberfläche des Mitnehmerrings in die geometrische Struktur an der Oberfläche der Platte einrasten kann.
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In einem Ausführungsbeispiel drückt ein Federelement, welches zwischen der Spindel und dem Mitnehmerring wirkt, den Mitnehmerring gegen den Werkzeughalter. Der Mitnehmerring kann gemäß einem Ausführungsbeispiel Gleitstücke aufweisen, die in korrespondierenden Führungsnuten in der Spindel verschiebbar angeordnet sind. Die Spindel kann (z.B. in den Führungsnuten) zwei Endanschläge aufweisen, welche die Bewegung des Mitnehmerrings in zwei Richtungen begrenzen.
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Figurenliste
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Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand von den in den Abbildungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die den dargestellten Ausführungsbeispielen zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. In den Abbildungen zeigt:
- 1 illustriert Werkzeugkegel (Diagramm a), Mitnehmerring (Diagramm b) und das Ende der Spindel einer Werkzeugmaschine (Diagramm c) als Komponenten einer Wellenkupplung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
- 2-5 illustrieren die Komponenten der Wellenkupplung aus 1 in unterschiedlichen Positionen beim Koppeln von Werkzeugkegel und Spindel jeweils in einer Querschnittsdarstellung (Diagramm a), Längsschnittdarstellung (Diagramm b) und Seitenansicht (Diagramm c).
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 illustriert einen Werkzeugkegel 30 (Diagramm a), einen Mitnehmerring 20 (Diagramm b) und ein Endstück einer Spindel 10 einer Werkzeugmaschine (Diagramm c) gemäß einem Ausführungsbeispiel. In gekoppeltem Zustand (d.h. bei an der Werkzeugmaschine montiertem Werkzeug) sind Werkzeugkegel 30 und Spindel 10 mittels eines Kegelsitzes gekoppelt, wobei der Mitnehmerring 20 zusätzlich zur kraftschlüssigen Verbindung im Kegelsitz ein Durchrutschen des Werkzeugkegels 30 verhindert, indem er eine formschlüssige Verbindung zwischen Spindel 10 und Werkzeug 30 herstellt. Im Folgenden werden die einzelnen Komponenten des hier beschriebenen Beispiels erläutert, und im Anschluss wird anhand der 2-5 das Koppeln von Werkzeugkegel 30 und Spindel 10 beschrieben.
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1, Diagramm a, zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Werkzeugkegels 30. Demnach ist der Werkzeugkegel 30 eine kurze Welle mit einem Außenkegel 34, der in einen korrespondierenden Innenkegel in der Spindel 10 passt und im montierten Zustand einen Kegelsitz bildet. An einem ersten Ende der Welle befindet sich ein Anzugbolzen 35, der von einer korrespondierenden Spannzange (nicht dargestellt) gegriffen werden kann. An einem zweiten Ende der Welle kann ein Gewinde 31 angeordnet sein, das die Montage eines rotierbaren Werkzeugs (nicht dargestellt, z.B. eine Schleifscheibe) ermöglicht. Die (Schraub-) Verbindung von Werkzeug und Werkzeugkegel mittels Gewinde ist eine übliche Technik und wird daher hier nicht weiter beschrieben. Anstatt einer Schraubverbindung können auch andere Verbindungstechniken verwendet werden (Bajonettverschluss, Klemmverbindung, etc.).
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Im mittleren Bereich des Werkzeugkegels 30 weist dieser eine Platte 32 auf, die sich im Wesentlichen rechtwinklig zur Drehachse des Werkzeugkegels 30 erstreckt. Die Platte 32 kann außen eine kreisförmige Kontur aufweisen, was jedoch nicht notwendigerweise der Fall sein muss. Auf der (in montiertem Zustand) der Spindel 10 zugewandten Seite weist die Platte auf ihrer Oberfläche Stege 33 auf, die eine Rastverbindung zwischen der Platte 32 und dem Mitnehmerring 20 ermöglichen.
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1, Diagramm b, zeigt ein Ausführungsbeispiel des erwähnten Mitnehmerrings 20, der an der Spindel 10 entlang der Drehachse verschiebbar gelagert ist. Der Mitnehmerrings 20 weist an seiner Innenseite zwei oder mehr Gleitstücke 22 (sliding blocks) auf, mit deren Hilfe der Mitnehmerring 20 in korrespondierenden Nuten der Spindel 10 geführt werden kann. Diese Führung ermöglicht eine Verschiebung des Mitnehmerrings 20 entlang der Drehachse, wobei der mögliche Verschiebeweg des Mitnehmerrings 20 durch zwei Endanschläge begrenzt ist. An seiner Unterseite (d.h. der Platte 32 des Werkzeugkegels 30 zugewandten Seite) weist der Mitnehmerring 20 mehrere Nuten 21 auf, in die die erwähnten Stege 33 der Platte 32 einrasten können, wodurch eine formschlüssige Verbindung zwischen der Platte 32 des Werkzeugkegels 30 und dem an der Spindel 10 gelagerten Mitnehmerring 20 gebildet wird. Bei einer Drehung der Spindel 10 dreht sich auch der an der Spindel 10 gelagerte Mitnehmerring 20, und dieser nimmt aufgrund der formschlüssigen Verbindung den Werkzeugkegel 30 mit. Ein Durchrutschend des Kegelsitzes wird dadurch verhindert.
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Damit der Mitnehmerring 20 zuverlässig in die Stege 33 der Platte 32 einrastet, wird der Mitnehmerring 20 mittels eines Federelements (siehe 2-5) gegen die Platte 32 gedrückt. Es versteht sich, dass die formschlüssige Verbindung zwischen Mitnehmerring 20 und Platte 32 des Werkzeugkegels 30 nicht notwendigerweise mittels korrespondierender Stege und Nuten realisiert werden muss. Alternativ wären auch korrespondierende Stifte und Löcher, korrespondierende Rastnasen und Vertiefungen, und dergleichen möglich. Im Allgemeinen weisen Mitnehmerring 20 und Platte 32 korrespondierende Konturen an den gegenüberliegenden Oberflächen auf, die ineinander greifen können und somit eine formschlüssige Verbindung bilden. Die konkrete Ausgestaltung der korrespondierenden Konturen ist nicht wichtig und kann auf viele verschiedene Arten realisiert werden.
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1, Diagramm c, zeigt ein Ausführungsbeispiel der Spindel 10 einer Werkzeugmaschine. Gemäß dem dargestellten Beispiel weist die Spindel 10 im Wesentlichen eine Hohlwelle 11 auf, wobei das Innere der Hohlwelle 11 einen Innenkegel 12 aufweist, der zu dem Außenkegel 34 des Werkzeugkegels 30 passt. Wie erwähnt bilden Innenkegel 12 und Außenkegel 34 im montierten Zustand einen Kegelsitz. Die Spindel 10 weist zwei gegenüber liegende Führungsnuten 14 auf, in denen (bei montiertem Mitnehmerring 20) die Gleitstücke 22 des Mitnehmerrings 20 entlang der Drehachse der Spindel 10 verschiebbar angeordnet sind. Am Boden der Führungsnuten 14 befinden sich in dem darstellten Beispiel weitere Nuten 13. Bei montiertem Mitnehmerring 20 verlaufen durch die Gleitstücke 22 Schrauben 23, die bis in die Nut 13 eingeschraubt werden. Der Mitnehmerring 20 kann soweit entlang der Drehachse verschoben werden, bis das untere Ende der Schrauben 23 an einem Ende der Nut 13 anliegen. Die Nuten 13 bilden (zusammen mit den Schrauben 23) in dem dagegenstellten Beispiel die Endanschläge, welche die Verschiebung des Mitnehmerrings 20 begrenzen. Es versteht sich, dass die Endanschläge auch auf andere Weise realisiert werden kann. Wichtig für die Funktion des Ausführungsbeispiel ist die Lagerung des Mitnehmerrings 20 an der Spindel 10, die eine Verschiebung des Mitnehmerrings 20 entlang der Drehachse ermöglicht. Wie erwähnt kann eine Feder (in 1 nicht dargestellt) den Mitnehmerring 20 gegen den unteren Endanschlag (also von der Werkzeugmaschine weg) drücken, um ein zuverlässiges Einrasten zu gewährleisten.
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2-5 zeigen unterschiedliche Positionen des Werkzeugkegels 30 (relativ zur Spindel 10) während eines Kopplungsvorgangs, bei dem der Werkzeugkegel 30 mit der Spindel 10 mechanisch gekoppelt wird. In den 2-5 zeigt das Diagramm a jeweils einen Querschnitt durch den Werkzeugkegel 30, Diagramm b, einen korrespondierenden Längsschnitt und Diagramm c die zugehörige Seitenansicht. Der Kopplungsvorgang kann vollautomatisch durchgeführt werden, wenn die Werkzeugmaschine von einem Roboter geführt wird und der Werkzeugkegel 30 samt Werkzeug in geeigneter Weise, z.B. in einem Magazin bereit gehalten wird.
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In der in 2 dargestellten Situation der Werkzeugkegel 30 zu ca. einem Drittel in die Spindel 10 eingeführt. Der Anzugsbolzen 35 befindet sich im Inneren der Hohlwelle 11 und kann in dieser Position von einer ebenfalls im Inneren der Hohlwelle 11 angeordneten Spannzange (nicht dargestellt) gegriffen werden. Werkzeugmaschinen mit einem Spannmechanismus mit in der Spindel angeordneter Spannzange sind an sich bekannt und werden daher hier nicht weiter diskutiert. Für die weitere Diskussion kann angenommen werden, dass der Werkzeugkegel 30 an dem Anzugsbolzen 35 mit Hilfe einer Spannzange in die Spindel hinein gezogen wird, bis der Außenkegel 34 des Werkzeugkegels 30 den Innenkegel 12 der Spindel 10 mechanisch kontaktiert.
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In 2, Diagramm b, sind die oben erwähnte Führung des Mitnehmerrings 20, insbesondere die Gleitstücke 22 und die Schrauben 23, welche in die Nuten 13 eingreifen, dargestellt. Der Mitnehmerrings 20 wird durch das Federelement 25 gegen den unteren Endanschlag gedrückt. Ebenfalls in 2, Diagramm b, dargestellt ist ein Kugellager 15 zur Lagerung der Spindel 10 in der Werkzeugmaschine. Die Winkelstellung der Spindel 10 (und folglich auch des Mitnehmerrings) relativ zu der Platte 32 (und den Stegen 33) kann in dieser Situation zufällig sein, und im Allgemeinen wird der Werkzeugkegel 30 relativ zur Spindel 10 so verdreht sein, das der Mitnehmerring 20 an der Platte 32 nicht sofort einrasten kann. Das Federelement 25 kann ein beliebiges nachgiebiges (federndes) Maschinenelement sein, beispielsweise eine Federscheibe (spring washer), insbesondere eine multigewellte Federscheibe (multi-wave spring washer), eine Tellerfeder (spring disc) oder dergleichen, oder auch ein Stück elastischen Kunststoffs.
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In der in 3 dargestellten Situation der Werkzeugkegel 30 vollständig in die Spindel 10 eingeführt, sodass der Außenkegel 34 des Werkzeugkegels 30 den Innenkegel 12 im Inneren der Spindel 10 mechanisch kontaktiert. Der Werkzeugkegel 30 wird an dem Anzugsbolzen mittels der Spannzange gehalten (nicht dargestellt in 3), und die Spannzange zieht den Werkzeugkegel 30 in die Spindel hinein. Dabei drücken die Stege 33 der Platte 32 ohne einzurasten den Mitnehmerring 20 gegen die Federkraft des Federelements 25 nach oben. In der in 3, Diagramm b, dargestellten Position wurde der Mitnehmerring 20 bis annähernd an den oberen Endanschlag verschoben. In 3, Diagramm a, ist auch die Winkelstellung ϕ des Werkzeugkegels 30 relativ zu dem Mitnehmerring 20 dargestellt. Ein Einrasten von Mitnehmerring 20 und Stegen 33 wäre bei einem Winkel von ϕ=0°, ϕ=45°, ϕ=90°, etc. möglich. In 2 und 3 ist der Winkel ϕ ungefähr gleich 20°. In der in 3 dargestellten Situation ist der Werkzeugkegel 30 mit der Spindel 10 mechanisch gekoppelt, wobei die Verbindung nur durch den Kraftschluss im Kegelsitz gehalten wird, nicht jedoch durch den Mitnehmerring 20 gesichert ist (weil der Mitnehmerring 20 noch nicht eingerastet ist). Die Kraft (siehe 3, Kraft F) wird von einem in den Abbildungen nicht dargestellten Aktor erzeugt, der mittels der Spannzange den Außenkegel 34 des Werkzeughalters 30 an den Innenkegel 12 der Spindel presst. Wie erwähnt sind geeignete Spannmechanismen an sich bekannt und deshalb hier nicht näher erläutert.
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Sofern beim Betrieb der Werkzeugmaschine (z.B. Schleifen, Polieren, Fräsen, etc.) der Reibschluss im Kegelsitz nicht ausreicht, um das erforderliche Drehmoment zu übertragen, wird der Werkzeugkegel 30 in der Spindel zu rutschen beginnen, wodurch der Werkzeugkegel 30 sich relativ zur Spindel 10 verdrehen wird. Das heißt, der Winkel Φ ändert sich. Der Werkzeugkegel 30 wird sich soweit verdrehen, bis eine Winkelstellung ϕ erreicht ist, der ein Einrasten des Mitnehmerrings in die Stege 33 möglich ist. 4 zeigt diese Situation (ϕ=0°) unmittelbar vor dem Einrasten. In der in 4 dargestellten Situation ist die Winkelstellung des Werkzeugkegels relativ zur Spindel so, dass das Federelement 25 den Mitnehmerring 20 gegen die Platte 32 drücken kann bis die Stege 33 in die Nuten 21 des Mitnehmerrings 20 eingreifen und der Mitnehmerring 20 einrastet. 5 zeigt den eingerasteten Zustand, in dem der Mitnehmerring 20 wieder annähernd in seiner unteren Endposition ist und eine formschlüssige Verbindung zwischen Spindel 10 und Werkzeugkegel 30 gewährleistet. Eine weitere Verdrehung des Werkzeugkegels 30 ist in dieser Situation nicht möglich.
