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Die Erfindung betrifft eine elektrische Betätigungseinheit für Werkzeugmaschinen, mit einem Gehäuse, in dem eine axial verstellbare Zugstange mit einem Spindelgewinde zur Verstellung der Spannmittel eines Spannfutters gelagert ist, auf der eine Spindelmutter angeordnet ist, der eine fest mit der Spindelmutter verbundene Welle zugeordnet ist, die eine Lagerbuchse für eine Feder trägt, wobei die Lagerbuchse in einer Gehäuseaufnahme aufgenommen ist, die in axialer Richtung der Zugstange länger als die axiale Erstreckung der Lagerbuchse bemessen ist, so dass eine Verstellung der Lagerbuchse in der Gehäuseaufnahme ermöglicht ist zwischen zwei Extrempositionen, in denen die Lagerbuchse sich über die Feder an der Wandung der Gehäuseaufnahme abstützt.
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Den Arbeitsspindeln von Werkzeugmaschinen zugeordnete Spannfutter dienen dazu, mit ihren Spannmitteln Werkstücke oder Werkzeug sicher einzuspannen. In der
DE 197 52 084 A1 ist dazu eine Spanneinrichtung mit einem axial unverschiebbaren, mit einer Arbeitsspindel umlaufenen Spannzylinder und einem darin mitumlaufend angeordneten, axial verschiebbaren Spannkolben offenbart. Der Spannkolben ist mit einer Kolbenwelle verbunden, die eine Spannstange beaufschlagt, die wiederum an dem Futterkolben des Spannfutters angreift. Derartige druckmittelbetätigte Spanneinrichtungen stehen vermehrt, in Konkurrenz zu elektrisch betätigten Spanneinrichtungen. Ein derartiger Elektrospanner ist beispielsweise in der
DE 10 2009 044 167 A1 offenbart, der ein an der Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine befestigbares Gehäuse aufweist, in dem axial verstellbar eine Gewindestange zur Verstellung der Spannmittel eines Spannfutters gelagert ist. Der Rotor eines elektrischen Stellmotors steht in Antriebsverbindung mit einem die Spindelmutter der Gewindestange verstellenden Antriebsrad. Ein erster Sensor ist der Gewindestange zur Erfassung von deren axialer Position und der Spindelmutter ein zweiter Sensor zur Erfassung von deren axialer Position zugeordnet, um die Probleme zu mildern, dass das für die Steuerung der erreichten Spannkraft genutzte Drehmoment zu einer relativ hohen Ungenauigkeit bezüglich der tatsächlich gegebenen Spannkraft führt und die Nutzung der bei druckmittelbetätigten Spanneinrichtung verwendeten Kraftsensoren nicht in einfacher Weise auf die elektrische Betätigungseinheit übertragen werden kann. Bei diesem Elektrospanner wird ein Kraftspeicher mit zwei Federpaketen verwendet, die mit großem Aufwand aufeinander abgestimmt und gelagert werden müssen. Weiterhin war aufgrund des gesteigerten Bauraumbedarfs für zwei Federpakete das Erfordernis gegeben, dass Spezialfedern verwendet werden müssen, die teuer in der Anschaffung sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrische Betätigungseinheit bereitzustellen, die kompakter und kostengünstiger aufgebaut werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Betätigungseinheit für Werkzeugmaschinen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die eingangs geschilderte Betätigungseinheit zeichnet sich dadurch aus, dass die Verwendung einer einzigen Feder ausreichend ist, so dass sich dadurch ein verminderter Bauraumbedarf ergibt und auch eine aufwändige Abstimmung zweier Federn entfällt. Es besteht die Möglichkeit der Verwendung einer Standardfeder, was weiterhin Kostenvorteile bietet.
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Bevorzugt ist dabei, wenn die Feder mit axialen Spiel in einer Buchsenaufnahme der Lagerbuchse aufgenommen ist, und wenn auf der Lagerbuchse benachbart zu beiden Seiten der Feder jeweils ein Lagerring angeordnet ist, der in der Gehäuseaufnahme relativ zu der Lagerbuchse verstellbar ist. Auf diese Weise ist eine sichere Abstützung und Krafteinleitung in das Gehäuse gewährleistet.
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Jeder Lagerring weist auf seiner der Feder zugewandten Seite radial innen liegend einen Ringbund auf, der in eine Bundaufnahme der Lagerbuchse ragt. Die verbessert die Lagerung und die Kraftübertragung.
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Wenn die Feder durch ein aus Tellerfedern gebildetes Federpaket gebildet ist, besteht die Möglichkeit, größere Kräfte durch den Kraftspeicher zur Verfügung zu stellen.
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Bevorzugt ist weiterhin, wenn die Spindelmutter mit der Welle durch eine Passfeder, einen Sprengring und eine Stützscheibe fest verbunden ist. Dies vereinfacht insbesondere die Montierbarkeit. Dazu ist auch eine Wellenmutter als Vorspannung der Kegelrollenlager vorgesehen.
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Um eine möglichst große Spannkraft generieren zu können, ist die Lagerbuchse über Kegelrollenlager auf der Welle gelagert.
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Um eine bessere Kontrolle über die durch die elektrische Betätigungseinheit aufgebrachte Betätigungskraft und damit der Spannkraft zu haben, ist auf einer der Tellerfedern des Federpakets ein Kraftsensor angeordnet, der vom äußeren Rand dieser Tellerfeder radial nach innen versetzt und/oder benachbart zu diesem Rand angeordnet ist.
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Der mindestens eine Kraftsensor ist über eine flexible Leiterbahn mit einer Auswerteelektronik verbunden, so dass der gesamte Arbeitshub ausgeführt werden kann, ohne die Kontaktierung oder deren Dauerhaftigkeit zu beeinträchtigen.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzeleinheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 die schematische Darstellung eines Längsschnittes durch eine elektrische Betätigungseinheit,
- 2 einen Ausschnitt aus der elektrischen Betätigungseinheit gemäß 1 in der Neutralstellung der Zugstange, mit dem durch eine Linie symbolisierten Kraftfluss,
- 3 eine der 2 entsprechende Darstellung in einer dem Ziehen entsprechenden Maximalstellung mit Pfeilen für die Symbolisierung der Bewegung der Zugstange und der Spindelmutter,.
- 4 eine der 2 entsprechende Darstellung in der dem Drücken entziehenden Maximalstellung mit Pfeilen für die Symbolisierung der Bewegung der Zugstange und der Spindelmutter,
- 5 eine der 2 entsprechende Darstellung einer Ausführungsform, bei der der Kraftsensor direkt an der Zugstange angebracht ist, und die Energie- und Datenleitungen über eine Hülse geführt sind.
- 6 eine weitere Ausführungsform, bei der der Zugstangenadapter außerhalb des Gehäuses auf dessen dem Spannfutter zugewandten Seite angeordnet ist,
- 7 eine perspektivische Darstellung des isolierten Zugstangenadapters aus 6,
- 8 eine perspektivische Darstellung des an dem Gehäuse befestigten Zwischenflansches mit dem einen Ring tragenden Zugstangenadapter,
- 9 einen Längsschnitt durch die isolierte Darstellung des Ringes mit der ersten Aufnahme für eine elektrische Speicherzelle und der zweiten Aufnahme für eine Platine,
- 10 ein Detail einer elektrischen Betätigungseinheit mit dem einem Federpaket zugeordneten Kraftsensor,
- 11 ein Detail einer elektrischen Betätigungseinheit mit dem dem Gehäuse zugeordneten Kraftsensor, und
- 12 eine der 2 entsprechende Darstellung mit den dem Gehäuse zugeordneten Kraftsensoren, nämlich jeweils einem durch einen ölbefüllten Kolbenraum beaufschlagten Drucksensor.
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In der 1 ist eine elektrische Betätigungseinheit dargestellt, wie diese für die Verstellung der einem Spannfutter zugeordneten Spannmittel vorgesehen ist, wobei das Spannfutter auf der Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine montiert ist. In der 1 ist die linke Seite des Gehäuses 2 der elektrischen Betätigungseinheit 1 dem Spannfutter zugewandt. In dem Gehäuse 2 ist eine axial verstellbare Zugstange 3 mit einem Spindelgewinde zur Verstellung der Spannmittel des Spannfutters geführt. Auf der Zugstange 3 mit dem Spindelgewinde ist als weiterer Teil des Planetenrollgewindetriebes eine Spindelmutter 4 angeordnet. Die Spindelmutter 4 ist mit einer Welle 28 fest verbunden, und zwar in dem gezeigten Ausführungsbeispiel über eine Passfeder 29, einen Sprengring 30 und eine Stützscheibe 31. Andere Verbindungsmittel sind gleichfalls nutzbar. Eine Wellenmutter 32 dient als Vorspannung der Kegelrollenlager 33, die eine Lagerbuchse 34 tragen. Mit axialen Spiel ist in einer Buchsenaufnahme 35 der Lagerbuchse 34 eine Feder aufgenommen, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch ein aus einer Mehrzahl von Tellerfedern 36 gebildetes Federpaket 5 besteht.
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Die Lagerbuchse 34 ist in einer Gehäuseaufnahme 37 aufgenommen, wobei die Gehäuseaufnahme 37 in axialer Richtung der Zugstange 3 länger als die axiale Erstreckung der Lagerbuchse 34 bemessen ist, so dass eine Verstellung der Lagerbuchse 34 in der Gehäuseaufnahme 37 ermöglicht ist zwischen zwei Extrempositionen, in denen die Lagerbuchse 34 mittelbar oder unmittelbar sich an der Wandung der Gehäuseaufnahme 37 abstützt.
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In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist auf der Lagerbuchse 34 benachbart zu beiden Seiten des Federpakets 5 jeweils ein Lagerring 38 angeordnet, der in der Gehäuseaufnahme 37 relativ zu der Lagerbuchse 34 verstellbar ist und so eine mittelbare Abstützung der Lagerbuchse 34 an der Wandung der Gehäuseaufnahme 37 bewirkt.
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Werden nun durch die elektrische Betätigungseinheit 1 die Spannbacken des Spannfutters in Spannrichtung verstellt, so kommen die Spannbacken bei diesem Vorgang in Kontakt mit dem zu spannenden Werkstück oder Werkzeug. Die sich translatorisch verstellende Zugstange 3 als Spindel des Planetenrollgewindetriebes 27 erfährt dadurch einen Widerstand und die Spindelmutter 4 beginnt sich zu verschrauben. Die Schraubrichtung hängt dabei davon ab, ob eine Innenspannung oder eine Außenspannung erfolgt und ob ein Rechtsgewinde oder ein Linksgewinde für die Gewindeverbindung zwischen der Zugstange 3 und der Spindelmutter 4 genutzt wird. Da die Spindelmutter 4 mit der Welle 28 fest verbunden ist, nehmen die sich drehenden Bauteile die Lagerbuchse 34 und den in Spannrichtung liegenden Lagerring 39 um den in der 3 mit „s“ bezeichneten Weg mit. Der Lagerring 39 drückt das Federpaket 5 wiederum um den Weg „s“ zusammen (3), wodurch die Kraft in dem als Kraftspeicher fungierenden Federpaket 5 entsteht. Das Lösen der Einspannung erfolgt sinngemäß in umgekehrter Reihenfolge.
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Im Ergebnis ist die Spindelmutter 4 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mittelbar in der Spannstellung an dem Gehäuse 2 abgestützt, wobei das Federpaket 5 als Kraftspeicher beaufschlagt ist. Durch die axiale Hubbewegung der Zugstange 3 legen sich die Spannbacken des Spannfutters an das Werkstück an. Sobald die Spannbacken am Werkstück anliegen, kann sich die Zugstange 3 nicht mehr axial bewegen. Trotz Stillstand der Zugstange 3 wird die Spindelmutter 4 weiter gedreht und kann sich deshalb nur axial zur Zugstange 3 den in der Lagerbuchse 34 integrierten Kraftspeicher, also in das Federpaket 5 verschieben. Dadurch wird eine Betätigungskraft in der Zugstange 3 aufgebaut.
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Für den sicheren Betrieb der Werkzeugmaschine ist eine genaue Kenntnis der erzeugten Spannkraft wichtig, so dass bei der elektrischen Betätigungseinheit 1 zur Erfassung der Spannkraft in der Kraftübertragungskette von der Zugstange 3 zu dem Gehäuse 2 mindestens ein Kraftsensor 7 angeordnet ist.
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Es bestehen unterschiedliche Möglichkeiten zur Positionierung des mindestens einen Kraftsensors 7, wobei nachstehend bevorzugte Anordnungen näher erläutert werden, die eine besondere Eignung für die Platzierung des mindestens einen Kraftsensors 7 besitzen. Dabei kann mehr als ein Kraftsensor 7 genutzt werden, also der Kraftsensor 7 mehrfach vorgesehen sein. Die Kraftsensoren 7 müssen dabei nicht immer dem gleichen Bauteil oder der gleichen Baugruppe zugeordnet sein, sondern können auch unterschiedlichen Bauteilen oder Baugruppen zugeordnet werden. Insbesondere können mindestens zwei der Bauteile aus der Gruppe, die die Zugstange 3, das Gehäuse 2, die Feder umfasst, jeweils einen der Kraftsensoren 7 tragen. Mindestens einer der Kraftsensoren 7 ist dabei durch einen Dehnmessstreifen 41 oder durch eine Druckkammer 40 oder einen Piezokristall gebildet, wobei für unterschiedliche Positionierungen auch unterschiedliche Typen von Kraftsensoren 7 genutzt werden können.
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10 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Feder beziehungsweise das Federpaket 5 zwischen der Spindelmutter 4 und dem Gehäuse 2 den Kraftsensor 7 trägt, der als Dehnmessstreifen 41 gebildet ist. Dabei ist auf einer der Tellerfedern 36 des Federpakets 5 der Kraftsensor 7 angeordnet, der vom äußeren Rand dieser Tellerfeder radial nach innen versetzt und in dem gezeigten Ausführungsbeispiel benachbart zu diesem Rand angeordnet ist.
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Die 11 und 12 zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen der Kraftsensor 7 dem Gehäuse 2 zugeordnet ist., und zwar ist in 11 der Kraftsensor 7 auf dem Gehäuse 2 angeordnet in einer in Umfangsrichtung verlaufenden Einschnürung 42 einer Gehäusewandung, wobei die Einschnürung 42 benachbart zu dem Bereich der Krafteinleitung in das Gehäuse 2 ausgebildet ist.
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12 zeigt eine Ausführungsform mit den dem Gehäuse 2 zugeordneten Kraftsensoren 7, nämlich jeweils einem durch einen ölbefüllten Raum mit einem Kolben 44 beaufschlagten Drucksensor 43.
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In den 5 bis 9 ist gezeigt, dass der Kraftsensor 7 der Zugstange 3 zugeordnet ist und/oder direkt auf der Zugstange 3 angeordnet ist. Es ist gezeigt ein Zugstangenadapter 6 als Träger des mindestens einen Kraftsensors 7. In dem in der 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kraftsensor 7 direkt auf der Zugstange 3 angeordnet. Im Inneren des Gehäuses 2 ist eine Hülse 8 in einer die Zugstange 3 umfassenden Stellung befestigt. Über diese werden die Energie- und Datenleitungen 26 zum Kraftsensor 7 geführt und die axiale Relativbewegung durch den Betätigungshub ermöglicht.
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Bei den in den 6 bis 9 gezeigten Ausführungsformen ist der Zugstangenadapter 6 außerhalb des Gehäuses 2 an einem freien Ende der Zugstange 3 befestigt, wobei in diesen Ausführungsformen in dem Zugstangenadapter 6 eine Zugstangenaufnahme 9 für das freie Ende der Zugstange 3 ausgebildet ist. Die 6 lässt dabei erkennen, dass der Zugstangenadapter 6 eine Außenhülse 10 mit mindestens einer Tasche 11 für einen durch eine Feder 12 beaufschlagten Schieber 13 aufweist, der die flexible Leiterbahn 26 führt und abstützt. Durch diese Ausgestaltung wird wiederum die Energie- und Datenübertragung über den gesamten Arbeitshub der Zugstange 3 innerhalb der Außenhülse 10 ermöglicht. Die 6 zeigt dabei auch die beiden möglichen Stellungen der Zugstange 3. Die Außenhülse 10 kann dabei mehrteilig gebildet sein mit einem Bundteil 14 und einem Hülsenkörper 15. Dadurch wird die Montage der einzelnen mechanischen Komponenten und das Einstecken der Energie- und Datenleitungen durch eine Steckverbindung 16 erleichtert. Die Elektronik und Energieversorgung befinden sich in dieser Ausführungsform im Gehäuse 2 der elektrischen Betätigungseinheit 1. 6 lässt auch erkennen, dass das Bundteil 14 an der Außenwand des Gehäuses 2 abgestützt ist.
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7 verweist auf die Möglichkeit, wie Versorgungs- und Signaldrähte über den Hülsenkörper 15 in den Zugstangenadapter 6 geführt werden können.
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Die 8 und 9 gehören zu einer Ausführungsform, bei der an dem Gehäuse 2 ein Zwischenflansch 17 befestigt ist, in dem der Zugstangenadapter 6 hineinragt, wobei auf dem Zugstangenadapter 6 in dem in dem Zwischenflansch 17 angeordneten Bereich ein Ring 18 mit einem Gehäuse 19 für die Elektronik, die Energieversorgung des Kraftsensors 7 und die berührungslose Datenübertragung befestigt ist. 9 zeigt, dass in dem Ring 18 eine erste Aufnahme für eine elektrische Speicherzelle 21 ausgebildet ist, wobei diese elektrische Speicherzelle 21 insbesondere als ein Akkumulator oder ein Kondensator gebildet sein kann und in die radial orientierte Tasche eingesetzt ist. Weiterhin ist in 9 die zweite Aufnahme 22 für eine Platine 23 ausgebildet, wobei die Aufnahme 22 durch einen Deckel 24 verschlossen ist.
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In allen Ausführungsformen ist der Kraftsensor 7 über eine flexible Leiterbahn mit der Auswerte- und Übertragungselektronik verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Betätigungseinheit
- 2
- Gehäuse
- 3
- Zugstange
- 4
- Spindelmutter
- 5
- Federpaket
- 6
- Zugstangenadapter
- 7
- Kraftsensor
- 8
- Hülse
- 9
- Zugstangenaufnahme
- 10
- Außenhülse
- 11
- Tasche
- 12
- Feder
- 13
- Schieber
- 14
- Bundteil
- 15
- Hülsenkörper
- 16
- Steckverbindung
- 17
- Zwischenflansch
- 18
- Ring
- 19
- Gehäuse
- 20
- erste Aufnahme
- 21
- elektrische Speicherstelle
- 22
- zweite Aufnahme
- 23
- Platine
- 24
- Deckel
- 25
- Abstimmscheibe
- 26
- Leiterbahn
- 27
- Planetenrollgewindetrieb
- 28
- Welle
- 29
- Passfeder
- 30
- Sprengring
- 31
- Stützscheibe
- 32
- Wellenmutter
- 33
- Kegelrollenlager
- 34
- Lagerbuchse
- 35
- Buchsenaufnahme
- 36
- Tellerfeder
- 37
- Gehäuseaufnahme
- 38
- Erster Lagerring
- 39
- Zweiter Lagerring
- 40
- Druckkammer
- 41
- Dehnmessstreifen
- 42
- Einschnürung
- 43
- Drucksensor
- 44
- Kolben
- s
- Verstellweg
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19752084 A1 [0002]
- DE 102009044167 A1 [0002]
