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Periodisch arbeitendes Klinkenschaltwerk mit Energiespeicher für Teilvorrichtungen
an Werkzeugmaschinen Die Erfindung betrifft ein periodisch arbeitendes Klinkenschaltwerk
mit Energiespeicher für Teilvorrichtungen an Werkzeugmaschinen, bei dem zur Einleitung
der Schaltbewegung ein vom Antrieb aufzubringendes Hauptdrehmoment und ein vom Energie-,
Speicher abgegebenes Hilfsdrehmoment im Zeitpunkt der Entriegelung an der Teilspindel
wirksam werden.
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Die bisher bekannten Teilvorrichtungen mit einem Schaltwerk weisen
den Nachteil auf, daß das Problem, die für einen durch Verriegelungsorgane zwangsweise
begrenzten Schaltvorgang benötigte Zeit weitgehend zu verkürzen, noch nicht befriedigend
gelöst werden konnte. Die Zeitersparnis stellt aber, auch wenn sie absolut gesehen
nur gering erscheint, relativ betrachtet einen erheblichen Vorteil dar, da die Fräszeiten
je Arbeitsgang, z. B. bei der Herstellung von Keilbahnen, Nuten oder von Klauen,
nur sehr kurz sind, bei letzteren bei Anwendung des sogenannten Tauchverfahrens,
z. B. nur 2,5 sec, so daß eine auch nur geringfügige Zeitersparnis beim Weiterschalten
jeweils zwischen zwei Arbeitsgängen einen Gewinn bedeutet. Zwar suchte man diesem
Problem durch Erreichen einer möglichst großen Anfangsgeschwindigkeit und damit
auch Anfangsbeschleunigung der Teilspindel möglichst unmittelbar nach Beendigung
des Entriegelungsvorganges durch die Anwendung mehr oder weniger überdimensionierter
Schaltwerktantriebe beizukommen, doch war dieser Maßnahme im Vergleich mit dem dazu
erforderlichen Mehraufwand ein nur geringer Erfolg beschieden.
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Insbesondere hatte man hierbei nicht genügend berücksichtigt, daß
bei den bevorzugt angewandten Schaltwerkantrieben durch Elektromotore deren im wesentlichen
elektrisch bedingte Drehmomentencharakteristik eine entscheidende Rolle insofern
spielt, als einerseits die Entwicklung des vollen Motordrehmoments eine gewisse,
unter ein bestimmtes Maß wirtschaftlich nicht mehr zu vermindernde Zeit beansprucht,
andererseits aber jede Drehmomentensteigerung des Schaltwerkantriebes das Trägheitsvermögen
der Schwungmassen entsprechend vergrößert.
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Eine Steigerung der Anfangsgeschwindigkeit und damit derAnfangsbeschleunigung
derSchaltbewegung setzt also eine erhebliche Vergrößerung des Verhältnisses des
an der Teilspindel möglichst unmittelbar nach Beendigung des Entriegelungsvorganges
angreifenden Drehmomentes zu dem Massenträgheitsmoment derSchwungmassen desSchaltwerkantriebes
und damit eine Abkehr vom rein elektrischen Lösungswege voraus. Der Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, eine Teilvorrichtung für Werkzeugmaschinen mit einem periodisch
arbeitenden Klinkenschaltwerk mit einem Energiespeicher zu schaffen, bei welchem
die Schaltzeit so kurz wie nur irgend möglich ist, ohne aber dadurch die Teilgenauigkeit
zu beeinträchtigen. Wesentlich ist dabei fernerhin, daß der jeweils gewünschte Teilpunkt
bei der besonders hohen Teilgenauigkeit immer gleichbleibend völlig spielfrei und
geklemmt erreicht wird.
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Es ist bereits eine Totgangsausgleichsvorrichtung im Vorschubantrieb
von Fräsmaschinen bekannt, bei der auf einer Spindel zwei über Zahnräder mit unterschiedlichen
Drehzahlen antreibbare Muttern, deren Drehzahlunterschied durch eine Reibungskupplung
ausgeglichen wird, angeordnet sind. Bei dieser vorerwähnten Vorrichtung handelt
es sich um den Spielausgleich bewegter Elemente während ihrer Bewegung, um durch
das notwendigerweise vorhandene Spiel zwischen zwei miteinander in Wirkverbindung
stehenden Elementen, wie zwei Zahnräder eines Getriebes oder eine Gewindespindel
und eine auf dieser sitzende Mutter, auftretende Drehschwingung oder Schläge, die
bei den in Betracht kommenden Fällen schädliche Auswirkungen haben, zu vermeiden.
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Es sind fernerhin Kraftspeichervorrichtungen allgemein bekannt, so
z. B. bei Schaltwerken zum Antrieb elektrischer Ein- bzw. Ausschalter, bei denen
miteinander zwei Schaltelemente durch eine Feder kraftschlüssig verbunden sind,
die bei Bewegung des
einen Elementes vorgespannt wird und das zweite
Element mit Nacheilung dann bewegt, wenn die Kraft der Feder ausreicht, eine das
zweite Element in seiner Lage haltende Kraftsperre zu überwinden. Energiespeicher
haben im übrigen bei- Getrieben aller Art weitgehend Verbreitung gefunden. Bei Gewindewalzmaschinen
z. B. hat man bereits in die die Weiterschaltung eines Werkstückzuführmagazins besorgende
Rutschkupplung Federn zwischen den getriebenen und den antreibenden Teil eingesetzt,
um nach dem Lösen der Sperre für das Transportmagazin dessen Weiterbewegung in die
nächste Stellung zu beschleunigen. Bei einem derartigen Schrittschaltwerk erfolgt
aber die Aufladung des Energiespeichers nicht durch die kinetische Energie der Schwungmassen
des Schaltwerkantriebs, nachdem diesem selbst keine Energie mehr zugeführt wird,
sondern durch den angetriebenen Teil der Kupplung, der selbst stets über das Rutschglied
von dem Maschinenantrieb eine Energiezufuhr erhält. Um die Bewegung des Werkstücktisches
von Hobelmaschinen schnellstmöglich am Ende eines Hubes umzukehren, sind auch Antriebsarten
bekannt, bei welchen der Tisch bzw. dessen Zugglieder abwechselnd mittels zweier
Kupplungen mit dem Antriebsmotor verbunden werden, wobei durch den Tisch am Ende
der Bewegung in der einen Richtung Federn gespannt werden, die sich nach der Bewegungsumkehr
entspannen und dadurch momentan das auf den Tisch einwirkende Antriebsmoment vergrößern.
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An einem automatisch arbeitenden Teilkopf ist ferner bekannt, im Antriebszug
nach dem Antriebsmotor und dem Schneckengetriebe eine Rutschkupplung anzuordnen,
um das Schwungmoment des Antriebsmotors bei plötzlichem Abstoppen der Schalteinrichtung
abfangen zu können.
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Diese vorhandene kinetische Energie der Schwungmassen des Schaltwerkantricbes
nutzt die Erfindung zur Aufladung eines Energiespeichers, dessen Speicherenergie
bei der Einleitung der Schaltbewegung neben dem Hauptdrehmoment im Zeitpunkt der
Entriegelung an der Teilspindel als Hilfsdrehmoment wirksam wird.
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Die Ladungs- und bzw. oder Entladungscharakteristik des oder der Energiespeicher
sollen vorteilhafterweise einen nichtlinearen Verlauf aufweisen; auch sollte die
Größe des Hilfsdrehmomentes vorzugsweise etwa drei Viertel des durch den Schaltwerkantrieb
aufgebrachten, vollen Hauptdrehmomentes erreichen. Hierbei ist zweckmäßig, daß das
Aufladungsverhältnis und das Entladungsverhältnis stufenlos regelbar ist.
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Bei Anwendung der Erfindung bei einem bekannten Klinkenschaltwerk
mit Schaltmotor, Schnekkenradantrieb und Rutschkupplung empfiehlt es sich, daß zur
Speicherung der Schwungenergie des Schaltmotors die Schnecke axial gegen den Druck
von Tellerfedern verschieblich und selbsthemmend ausgelegt ist.
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Zur Regelung der Auf- und Entladungsverhältnisse wird dabei vorzugsweise
die Rutschkupplung zwischen Schaltmotor und Schnecke angeordnet und zur Regelung
der Aufladungsgröße die Vorspannung der Tellerfedern einstellbar gemacht.
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Durch die vorstehend beschriebenen Maßnahmen werden die geschilderten
Nachteile der bisher bekanntgewordenen Konstuktionen weitgehend behoben. Insbesondere
ist es nunmehr durch einen konstruktiv und damit auch wirtschaftlich nur unbedeutenden
Mehraufwand möglich, die Anfangsgeschwindigkeit bzw. -beschleunigung der Schaltbewegung
derart zu steigern, daß die für einen Schaltvorgang benötigte Zeit klein wird. Wenn
auch die gegenüber den bisher bekannten Teilvorrichtungen erreichbare Zeitersparnis
je Schaltvorgang bzw. Teilschritt nur verhältnismäßig gering sein mag, so darf doch
nicht übersehen werden, daß die insgesamt eingesparte Schaltzeit beispielsweise
bei einem mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung versehenen, größeren Sondermaschinenpark
bei Großserienfertigung etwa innerhalb eines Jahres sehr beachtlich ist und rationallisierungsmäßig
durchaus ins Gewicht fällt. Dies wird sich vor allem dann noch stärker auswirken,
wenn zusätzlich von einer durch eine Programm-Steuerung mitüberwachten selbsttätigen
Beendung des gesamten Arbeitsablaufes Gebrauch gemacht wird.
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Ein weiterer, sowohl konstruktiv als auch betriebswirtschaftlich erheblich
ins Gewicht fallender Vorteil der Erfindung liegt darin, daß man im Gegensatz zu
den bisherigen, leistungsmäßig mehr oder weniger überdimensionierten Schaltwerkantrieben,
bei sonst gleichen Verhältnissen, nunmehr mit nur mäßig großen Motoren, noch dazu
nur für unterbrochenen Betrieb, auskommt. Der zweckmäßigerweise nach einer bestimmten
und vorzugsweise stufenlos regelbaren Charakteristik verlaufende Entladungsvorgang
des Energiespeichers weist hierbei mit einem durchschnittlich innerhalb der Größtwerte
von etwa 0,75 und 0;90 schwankenden Wirkungsgrad der Energiespeicherung bzw. -rückgewinnung
eine außerordentlich günstige Energiebilanz auf. Die genannten Vorteile werden schließlich
durch eine besondere; zweckentsprechende konstruktive Ausbildung der die Schaltbewegung
zwangsweise begrenzenden mechanischen Verriegelungsorgane wirksam unterstützt.
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In den Zeichnungen ist der Gegenstand der Erfindung an Hand eines
Ausführungsbeispieles schematisch dargestellt; es zeigt Fig. l einen Schnitt durch
die vertikale Längsmittelebene einer Teilvorrichtung an Werkzeugmaschinen, beispielsweise
an selbsttätigen Nuten- oder Keilbahnfräsautomaten, Fig. 2 den zugehörigen Querschnitt
durch den Teilspindel-Antrieb und Fig. 3 eine im vergrößerten Maßstab dargestellte
Ansicht in Richtung des Pfeiles X in Fig. 1 auf die Verriegelungsvorrichtung.
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Das (nicht dargestellte) Werkstück, beispielsweise eine zu bearbeitende
Keilwelle, wird von einer Spannvorrichtung, z. B. von dem Dreibackenfutter
1, aufgenommen, das mit der hohlen, in dem Gehäuse 3 gelagerten Teilspindel
2 verbunden ist. Das mit dem Maschinenbett 4 verbundene Gehäuse 3 trägt auf seiner
Oberseite den Schaltmotor 5, der über den Riemen- oder Kettentrieb 6 die Schnecke
7 und das mit der Teilspindel 2 kraftschlüssig verbundene Schneckenrad 8 antreibt.
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Die nach einer bestimmten Charakteristik selbsttätig gesteuerte Schaltbewegung
wird in an sich bekannter Weise durch Verriegelungsorgane, z. B. mechanisch, durch
das Zusammenwirken des Rastenfingers 14 mit einer Rastenscheibe 13, die mit der
Teilspindel 2 verbunden ist, zwangsweise begrenzt. Die Steuerung des mit dem Rastenfinger
14 versehenen
Rastenhebels 15 erfolgt teilweise elektrisch, wobei
der Verriegelungsvorgang durch die Druckfeder 16 und der Entriegelungsvorgang durch
einen (nicht dargestellten) in Richtung P wirkenden, mit Tauch- oder Zuganker versehenen
Elektromagneten bewirkt wird.
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Der durch die Verriegelungsorgane, im vorliegenden Falle durch den
Rastenhebel 15 gesteuerte Schaltmotor 5 gibt vom Beginn des Verriegelungsvorganges
an, d. h. sobald der Rastenfinger 14 die Drehung der Rastenscheibe 13 und damit
jene der Teilspinde12 begrenzt, die kinetische Auslaufenergie seiner Schwungmassen
über den Riemen- oder Kettentrieb 6, die einstellbare und vorzugsweise als Reibungskupplung
ausgebildete Rutschkupplung 9, die als Schraube gegenüber dem Schneckenrad 8 axial
verschiebbare Schnecke 7 und die Schneckenwelle 10 auf eine oder mehrere zur Aufnahme
potentialer Energie eingerichtete Energiespeicher 11a, 11b ab, die
als Federn, vorzugsweise als Tellerfedern, ausgebildet sind. Nach beendetem Aufladevorgang
verhindert das selbsthemmende Zusammenwirken von Schnecke 7 und Schneckenrad 8 ein
unbeabsichtigtes Entspannen der Tellerfeder 11a, 11b, wodurch die
Rastenscheibe 13 und damit die Teilspindel 2 eine Art Drehvorspannung aufgedrückt
erhalten, deren Größe vom Verhältnis der von den Energiespeichern 11a, 11b
aufgenommenen Ladungsenergie zur kinetischen Auslaufenergie der Schwungmassen des
Schaltmotors 5 abhängt. Das vorstehend genannte Verhältnis ist durch die zwischen
dem Schaltmotor 5 und dem oder den Energiespeichern 11 a, 11 b angeordnete
Rutschkupplung 9 zwischen den Werten Null und Eins einstellbar und stufenlos regelbar.
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Sobald die Verriegelung der Anlageflächen 17, 18 von Rastenfinger
14 und Rastescheibe 13 aufgehoben und damit der Entriegelungsvorgang beendet ist,
erhält die Teilspindel 2 durch ein an ihr nunmehr angreifendes, dem Vorrat der Energiespeicher
11 a, 11 b
über die zahnstangenartig mit dem Schneckenrad 8 zusammenwirkende
Schnecke 7 entnommenes, in Richtung der Schaltbewegung wirkendes und zu deren Einleitung
dienendes Hilfsdrehmoment bestimmter Größe, welches dem durch den Schaltmotor 5
gelieferten Hauptdrehmoment zeitlich voreilt, und damit einen kräftigen Drehimpuls.
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Die Größe des auf den Hebelarm der Kastenscheibe 13 bezogenen Hilfsdrehmoment
ist von einer Reihe konstruktiver und betrieblicher Faktoren, wie beispielsweise
von der Größe der Teilvorrichtung, den Abmessungen und der Leistungs- bzw. Drehmomentencharakteristik
des Schaltmotors 5, dem Drehwinkel der Schaltbewegung sowie der Größe bzw. dem Massenträgheitsmoment
des zu bearbeitenden Werkstückes, in der Hauptsache abhängig, erreicht jedoch etwa
drei Viertel des durch den Schaltmotor 5 aufgebrachten Hauptdrehmomentes. Das Verhältnis
von Hilfs- zu vollem Hauptdrehmoment läßt sich darüber hinaus innerhalb der Werte
Null und Eins regeln, so daß man, falls dies aus irgendwelchen Gründen erforderlich
sein sollte, durch nahezu vollständige Aufspeicherung der kinetischen Auslaufenergie
des Schaltwerkantriebes 5 Hilfsdrehmomente in Höhe von neun Zehnteln und mehr des
vollen Hauptdrehmoments erreichen kann.
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Es ist ferner zweckmäßig, wenn die Ladungs-und bzw. oder Entladungscharakteristik
des oder der Energiespeicher 11 a, 11 b einen nichtlinearen, vorzugsweise einen
hyperbolischen oder angenähert hyperbolischen Verlauf mit einer gegen Ende des Auslaufvorganges
steiler ansteigenden Bremswirkung aufweist, wogegen beim Entladungsvorgang der auf
die Teilspindel 2 ausgeübte, anfänglich kräftige Drehimpuls bereits nach einem verhältnismäßig
sehr kleinen Winkelweg zuerst steil, gegen das Ende zu jedoch nur mehr verhältnismäßig
flach abfallen kann. Die nichtlineare Charakteristik läßt sich, wie in Fig. 2 dargestellt,
z. B. durch zwei oder mehrere Tellerfedern mit voneinander abweichenden Federkonstanten
erreichen, wobei deren Federspannung durch einen Gewindestopfen 12 einstellbar ist.
Statt der Tellerfedern lassen sich selbstverständlich auch Drehstab-, Schrauben-,
Kegelstumpf- sowie gegebenenfalls auch Blattfedern od. dgl. verwenden.
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Der Anwendungbereich des Gegenstandes der Erfindung braucht nicht
auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt zu sein.
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So ist es beispielsweise möglich, im Werkzeugmaschinenbau das beschriebene
Erfindungsprinzip weiterhin bei mit einem oder mehreren auswechselbaren Werkzeugen
versehenen, um eine Drehachse schwenkbaren Arbeitsköpfen, wie etwa Revolverköpfen
an Revolver- und Automatendrehbänken oder bei um eine Drehachse schwenkbaren Arbeitstischen
mit auf konzentrischen Kreisbogen angeordneten Bearbeitungsstationen, wie etwa Rundtischen
an Stationsbohrmaschinen, vorzugsweise für die Großserienfertigung, gleichfalls
erfolgreich anzuwenden.