DE19627457A1 - Einrichtung zum spielfreien Antreiben eines Drehtisches o. dgl. um eine Drehachse, insbesondere für eine Verzahnmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Eine solche Einrichtung ist aus der DE 43 31 042 A1 bekannt, auf die weiter unten näher eingegangen wird.

Bei Werkzeugmaschinen ist häufig ein drehbarer Tisch zur Auf­ nahme eines zu bearbeitenden Werkstückes vorgesehen. Bei einer bekannten Verzahnmaschine (vgl. z. B. den Klingelnberg-Firmen­ prospekt "Universal-Spiralkegelrad-Wälzfräsmaschinen KNC 40fKNC 60", Nr. 1329/D/GF) trägt der Drehtisch einen Werkstückspindelstock und ist auf einem auf dem Maschinenbett verschiebbaren Schlitten angeordnet. Das Werkstück ist auf dem Werkstückspindelstock um eine Werkstückachse (üblicherweise als B-Achse bezeichnet) drehbar, der Drehtisch ist um eine Werk­ stückschwenkachse (üblicherweise als C-Achse bezeichnet) schwenkbar, und der Schlitten ist in einer Werkstückpositio­ nierachse (üblicherweise als Y-Achse bezeichnet) verschiebbar. Bei der bekannten Verzahnmaschine sind diese Einstellachsen CNC-gesteuert und jeweils mit einem eigenen Antrieb versehen (vgl. den vorgenannten Firmenprospekt, S. 6 und 7). Vereinfa­ chend werden Drehtisch, Spindel usw., um deren Drehachsen eine steuerbare Antriebsbewegung erfolgen soll, einfach als Drehach­ sen bezeichnet. Derartige Drehachsen mit spielfreiem Antrieb werden nicht nur in Kegelrad-, sondern auch in Stirnradverzahn­ maschinen benötigt.

Solche CNC-gesteuerten Verzahnmaschinen ermöglichen durch modi­ fizierte, zum Teil nichtlineare Erzeugungsbewegungen des Werk­ zeuges relativ zum Werkstück eine gezielte Gestaltung der Ver­ zahnungsgeometrien. Dabei wird es in vielen Fällen er­ forderlich, mit einzelnen Drehachsen während des Erzeugungspro­ zesses eine Drehrichtungsumkehr zu durchfahren. Derartige "Nulldurchgänge" im Verzahnungsprozeß stellen höchste Anforde­ rungen an die Regelung der jeweiligen CNC-Drehachse und an die gesamte Maschinenstruktur. Es ist notwendig, daß Werkstück und Werkzeug spielfrei gelagert und angetrieben werden, damit sol­ che Nulldurchgänge ebenso wie die Einwirkung äußerer oder aus dem Arbeitsprozeß herrührender Kräfte die Sollposition und die Sollbewegung von Werkstück und Werkzeug nur möglichst wenig be­ einflussen.

Ein spiel freier Antrieb ist über konventionelle Zahnradgetriebe nicht möglich, da bekannte Verzahnungen ohne Zusatzvorrich­ tungen immer ein gewisses Mindestspiel hinsichtlich einer Drehrichtungsumkehr besitzen. Zwar eignen sich spezielle Ver­ zahngeometrien, z. B. Kegel- und Hypoidzahnräder, besser für einen spielfreien Antrieb als normale Stirnräder (Niemann, Ma­ schinenelemente, Band 11, S. 366, Springer-Verlag, 1989), je­ doch sind bei einem engen Flankenspiel hohe Antriebsmomente er­ forderlich, und das Flankenspiel muß wegen der bei engem Spiel unvermeidlichen Abnutzung immer wieder nachgestellt werden. Um einen spiel freien Antrieb einer Drehachse auch bei Null­ durchgängen und bei im Betrieb auftretenden Kräften dauerhaft sicherzustellen, gibt es eine Reihe von bekannten Möglichkei­ ten, die z. B. in der DE 43 31 042 A1 beschrieben sind, von der der Anspruch 1 im Oberbegriff ausgeht.

Eine dieser Möglichkeiten ist der Antrieb über mindestens ein Zahnrad auf der Drehachse bei gleichzeitiger Einleitung eines Kompensationsmoments. Das auf die Drehachse wirkende Drehmoment wird dabei durch ein zweites, entgegengesetzt wirkendes Drehmo­ ment überlagert, so daß der Flankenkontakt immer nur an einer Seite hergestellt wird. Nachteilig bei dieser Möglichkeit ist die Gefahr, daß sich im Betrieb ergebende, an der Drehachse angreifende Störmomente das Kompensationsdrehmoment aufheben und die Spielfreiheit dann nicht mehr gegeben ist.

Eine weitere dieser aus der DE 43 31 042 A1 bekannten Möglich­ keiten besteht darin, einen Rundtisch, mit zwei separaten An­ triebssystemen mit eigener Kraftquelle zu versehen. Das Zusatz­ antriebssystem kann dabei je nach Anwendungsfall bremsend oder treibend wirksam sein oder auch in seiner Richtung umschaltbar sein, um das vorhandene Antriebsspiel zu unterdrücken. Nachtei­ lig sind der geringe Wirkungsgrad, bedingt durch Wandlungs-, Übertragungs- und Schlupfverluste, der komplizierte Aufbau der zur Unterdrückung des Antriebsspiels erforderlichen Vorspannun­ gen und ihre damit zusammenhängenden hohen Kosten. Bei einem in der DE 43 31 042 A1 beschriebenen spielfreien Rundtischantrieb einer Werkzeugmaschine wird zur Vermeidung der vorgenannten Nachteile ein mehrstufiges Getriebe mit mehreren Zwischenwellen eingesetzt, und durch axiales Verschieben mindestens einer Zwi­ schenwelle können die Flanken der Verzahnungen der Zwischenwel­ len in entgegengesetzten Richtungen zur Anlage gebracht und der Getriebezug spielfrei gemacht werden. Solche mehrstufigen Ge­ triebe sind nicht überall einsetzbar. Insbesondere ist es bei Werkzeugmaschinen mit CNC-Steuerung einfacher und genauer, auf die Antriebssysteme der Drehachsen einzuwirken, statt mit der Steuerung in Getriebe einzugreifen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der im Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so zu verbessern, daß sie die spielfreie Drehbewegung eines Drehtisches od. dgl. um eine Maschinenachse in einem vorgebbaren Winkelsegment auf einfache und wiederholbare Weise ohne die oben dargelegten Nachteile gestattet.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Dadurch, daß erfindungsgemäß das eigentliche Antriebssystem der Maschinenachse, d. h. des Drehtisches od. dgl. lediglich zur Aus­ gangspositionierung in einem vorgebbaren Winkelsegment ein­ gesetzt wird und als Zusatzantriebssystem ein Linearantrieb eingesetzt wird, der die eigentliche Arbeitsbewegung innerhalb des vorgebbaren Winkelsegments erzeugt, werden die eingangs ge­ schilderten Nachteile, die im Stand der Technik mit dem Einsatz von separaten Antriebs­ systemen zur Antriebsspiel-Unterdrückung verbunden sind, vermieden. Die Einrichtung nach der Erfindung ermöglicht die spielfreie Drehbewegung um eine Maschinenachse in einem beliebigen gewünschten Winkelbereich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegenstände der Unteransprüche.

Wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Linearantrieb durch ein Klemmsystem an den Drehtisch spielfrei ankoppelbar ist, läßt sich auf einfache Weise zunächst mit dem ersten Antriebssystem der Drehtisch grob positionieren und anschließend, nach Betätigung des Klemmsystems, mit dem Linearantrieb der Drehtisch innerhalb des vorgebbaren Winkelseg­ ments spielfrei bewegen.

Wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Linearbetrieb durch das Klemmsystem starr in den Drehtisch angekoppelt und so ausgebildet ist, daß er zu Radial- und Winkelausgleichs­ bewegungen in der Lage ist, läßt sich ein einfaches, weil starr ankoppelndes Klemmsystem mit entsprechender Funktionssicherheit einsetzen.

Wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung für die Ausgleichsbewegung des Linearantriebes zwei spielfrei vorgespannte Gelenke vorgesehen sind, um die oder in denen der Linear­ antrieb beweglich ist, ist trotz des starren Ankoppelns des Linearantriebs an den Drehtisch eine einwandfreie Bewegungskinematik möglich.

Wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die beiden spielfrei vorgespannten Gelenke Drehgelenke sind, in denen der Linearantrieb an das Klemmsystem bzw. an einen den Drehtisch tragenden Schlitten angelenkt ist, werden die erforderlichen radialen und angularen Ausgleichs­ bewegungen des Linearantriebs auf einfache und sichere Weise ohne Spiel möglich.

Wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die beiden spielfrei vorgespannten Gelenke ein Drehgelenk und ein Schiebegelenk sind, wobei der Linearantrieb in dem Drehgelenk an das Klemmsystem angelenkt ist und in dem Schiebegelenk relativ zu dem Klemmsystem linear verschiebbar ist, werden die notwendigen Ausgleichsbewegungen durch eine Drehung und eine Translation ermöglicht.

Wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung das erste Antriebssystem einen fest mit dem Drehtisch verbundenen Antriebsmotor mit einem Ritzel aufweist, das mit einem an dem Schlitten angebrachten Zahnrad kämmt, läßt sich dieses üblicherweise allein vorhandene, aber nicht spielfreie Antriebssystem auf eine Weise zur Grobpositionierung des Drehtisches verwenden.

Wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Linearantrieb aus einer spielfrei vorge­ spannten Kugelgewindespindel und einem damit verbundenen CNC-gesteuerten Servomotor besteht, läßt sich die notwendige Arbeitsbewegung des Drehtisches mittels des Linearantriebs mit höchster Präzision erreichen.

Wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der CNC-gesteuerte Servomotor auf einen separaten Antriebsstrang für die Ausgangspositionierung des Drehtisches umschaltbar ist, kann der andere Antriebsmotor entallen, und es bietet sich die Möglichkeit einer vielseitigeren Steuerung der Ausgangspositionierung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Drehti­ sches mit spielfreiem Antrieb, und

Fig. 2 eine Variante der spielfreien Antriebsart.

In Fig. 1 ist der Aufbau eines Drehtisches 2 einer CNC-Kegel­ radverzahnmaschine - aufgebaut auf einem Gehäuse oder Schlitten 1 - dargestellt. Auf dem Drehtisch 2 ist ein Werkstückspindel­ stock 4 angeordnet. Im Herstellungsprozeß der Verzahnungsgeome­ trie wird der Werkstückspindelstock 4 durch Drehung des Drehti­ sches 2 um seine Drehachse C in eine in Fig. 1 dargestellte Ausgangslage positioniert. Dazu ist in der in Fig. 1 darge­ stellten ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ein­ richtung zum spiel freien Antreiben des Drehtisches 2 um dessen Drehachse C ein erstes Antriebssystem 3 in Form eines auf dem Drehtisch 2 befestigten Antriebsmotors 3′ mit einem Ritzel 3′′ und eines an dem Schlitten 1 befestigten Hohlrades 6, mit dessen Verzahnung das Ritzel 3′′ kämmt, vorgesehen.

Zur Erfassung des Ist- oder aktuellen Drehwinkels des Drehti­ sches 2 ist ein Rotationsmeßsystem 5 in der Achse C angeordnet. Abhängig von der Bearbeitungsaufgabe muß der Drehtisch 2 eine CNC-gesteuerte Rotationsbewegung C′ mit höchster Präzision durchführen. Diese Bewegung kann verfahrensbedingt in einem Zy­ klus positive wie negative Richtungen annehmen, d. h. es können sich für die CNC-Drehachse, d. h. in der Drehbewegung des CNC-gesteuerten Drehtisches "Nulldurchgänge" ergeben. Um die Dreh­ bewegung des Drehtisches 2 mit genügender Präzision spielfrei ausführen zu können, übernimmt erfindungsgemäß ein zusätzlich zu dem ersten Antriebssystem 3 des Drehtisches 2 vorgesehenes zweites Antriebssystem 8 die eigentliche Arbeitsbewegung. Nach der Positionierung des Drehtisches 2 in Ausgangslage wird das erste Antriebssystem 3 abgeschaltet. Das zweite Antriebssystem 8 wird durch ein Klemmsystem 7 starr und spielfrei an den Dreh­ tisch 2 angekoppelt. Es weist einen Linearantrieb 11 auf, der in diesem Ausführungsbeispiel aus einem Servomotor 12, einer Kugelgewindespindel 11′ und einer Spindelmutter 11′′ besteht und damit den Drehtisch 2 CNC-gesteuert antreibt. Der aktuelle Drehwinkel des Drehtisches 2 wird dabei durch das Rotationsmeß­ system 5 erfaßt. Ein Klemmstück 7′ des Klemmsystems 7 ist durch einen Stellantrieb 7′′ an einem Ende starr an den Drehtisch 2 ankoppelbar und ist an seinem entgegengesetzten Ende mit der Spindelmutter 11′′ schwenkbar um die Achse eines Drehgelenks X′ verbunden. An ihrem in Fig. 1 rechten Ende ist die Kugelgewin­ despindel 11′ in einer mit dem Schlitten 1 fest verbundenen Konsole schwenkbar um die Achse eines Drehgelenks X′′ gelagert. Der gesamte Linearantrieb 11 ist spielfrei vorgespannt. Das starre Ankoppeln an den Drehtisch 2 erfordert es, daß der Line­ arantrieb radiale und angulare Ausgleichsbewegungen ausführen kann. Bei der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung wird dies durch die beiden spielfrei vorgespannten Drehgelenke X′ und X′′ gelöst.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung, bei der die notwendigen Ausgleichsbewegungen durch ein Drehgelenk X′ und ein Schiebegelenk X′′′ ermöglicht werden, die ebenfalls beide spielfrei vorgespannt sind.

Andere Lösungen, bei denen beispielsweise der CNC-gesteuerte Servomotor auf einen separaten Antriebsstrang für die Aus­ gangspositionierung des Drehtisches umgeschaltet wird und somit der andere Antriebsmotor entfallen kann, sind möglich aber nicht näher dargestellt.

Claims (9)

1. Einrichtung zum spielfreien Antreiben eines Drehtisches (2) oder dgl. um eine Drehachse (C), insbesondere für eine Verzahnmaschine, mit zwei separaten Antriebssystemen (3, 8), dadurch gekennzeichnet, daß

• - das erste Antriebssystem (3) für eine Ausgangspositionierung des Drehtisches (2) in einem vorgebbaren Winkelsegment ausgebildet ist,
• - das zweite Antriebssystem (8) einen Linearantrieb (11) zum Erzeugen der eigentlichen Arbeitsbewegung des Drehtisches (2) innerhalb des vorgebbaren Winkelsegments aufweist und nur dieses Antriebssystem (8) in sich spielfrei ausgebildet ist,
• - zur Erfassung eines Istdrehwinkels des Drehtisches (2) unabhängig vom jeweils aktiven Antriebssystem (3, 8) ein Rotationsmeßsystem (5) in der Drehachse (C) des Drehtisches (2) angeordnet und mit einer CNC-Steuerung verbunden ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Linearantrieb (11) durch ein Klemm­ system (7) an den Drehtisch (2) spielfrei ankoppelbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Linearantrieb (11) starr an den Drehtisch (2) ankoppelbar und so ausgebildet ist, daß er zu Radial- und Winkelausgleichsbewegungen in der Lage ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ankoppeln des Linearantriebes (11) an den Drehtisch (2) über zwei spielfrei vorgespannte Gelenke erfolgt, um die oder in denen der Linearantrieb (11) beweglich ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden spielfrei vorgespannten Gelenke Drehgelenke (X′, X′′) sind, mit denen der Linearantrieb (11) an das Klemm­ system (7) bzw. an einen den Drehtisch (2) tragenden Schlitten (1) angelenkt ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden spielfrei vorgespannten Gelenke ein Drehgelenk (X′) und ein Schiebegelenkt (X′′′) sind, wobei der Linearantrieb (11) an das Klemmsystem (7) in dem Drehgelenk (X′) drehbar und in dem Schiebegelenk (X′′′) relativ zum Klemmsystem (7) linear verschiebbar angelenkt ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Antriebssystem (3) einen fest mit dem Drehtisch (2) verbundenen Antriebsmotor (3′) mit einem Ritzel (3′′) aufweist, das mit einem an dem Schlitten (1) angebrachten Zahnrad (6) kämmt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Linear­ antrieb (11) des zweiten Antriebssystems (8) eine spielfrei vorgespannte Kugelgewinde­ spindel und einen damit verbundenen CNC-gesteuerten Servomotor (12) aufweist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der CNC- gesteuerte Servomotor (12) auf einen separaten Antriebsstrang für die Ausgangspositionierung des Drehtisches (2) umschaltbar ist, wodurch der Antriebsmotor (3′) entfällt.