Die Erfindung betrifft ein Zustellsystem für ein rotie
rendes Schneidwerkzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentan
spruches 1 und ein Verfahren zur Ansteuerung eines derarti
gen Zustellsystems.
Derartige Zustellsysteme werden in der Serienfertigung
von Gehäusebauelementen, beispielsweise von Motor-
/Getriebegehäusen eingesetzt. Dabei werden die jeweiligen
Bearbeitungsstationen, beispielsweise Transfermaschinen,
Feinbahreinheiten, Sondermaschinen, Bohrwerke oder Bearbei
tungszentren mit einem Zustellsystem für Bohrwerkzeuge aus
gerüstet, bei denen das Schneidwerkzeug über das Zustellsy
stem mit einer Arbeitsspindel der Werkzeugmaschine gekop
pelt ist.
Das Zustellsystem erlaubt es während der Produktion
auftretende Fehler zu kompensieren, die beispielsweise
durch Schneidenverschleiß, Schneidentoleranz, Einstellfeh
ler oder Maßschwankungen, verursacht durch Temperaturände
rungen der Maschine, etc. auftreten können. Des weiteren
ermöglichen die Zustellsysteme das Ausbilden von Zylinder
bohrungen mit engsten Toleranzen oder mit Bohrungen, deren
Radius in Abhängigkeit von der Bohrungstiefe veränderlich
ist (beispielsweise Ausbilden von Fasen, Radien, Einsti
chen, konvexen, konkaven oder kegeligen Umfangswandungen).
Bei dem bekannten Systemen können die Schneidwerkzeuge
an unterschiedlichen Werkzeugaufnahmen, beispielsweise
Bohrstangen, sogenannten Exzenterspindeln oder Zustellköp
fen ausgebildet werden.
In Fig. 1, auf die bereits an dieser Stelle Bezug ge
nommen wird, ist ein bekanntes Zustellsystem dargestellt,
das von der Anmelderin unter der Bezeichnung
"Exzenterspindel" vertrieben wird. Bei diesem Zustellsystem
ist eine Werkzeugaufnahme 2 koaxial an einer Exzenterspin
del 4 angeordnet, die ihrerseits drehbar in einer Haupt
spindel 6 gelagert ist. Die Achse der Exzenterspindel 4 ist
gegenüber der Achse der Hauptspindel 6 und das Maß e ver
setzt. D.h. durch Verdrehen der Exzenterspindel 4 läßt sich
ein in der Werkzeugaufnahme 2 aufgenommenes Schneidwerkzeug
(nicht dargestellt) radial gegenüber der Achse der Haupt
spindel 6 versetzen und somit eine Zustellbewegung durch
führen.
Bei dem bekannten Zustellsystem erfolgt die Verstellbe
wegung der Schneide mit Bezug zur Hauptspindel 6 mittels
eines vergleichsweise kompliziert aufgebauten Antriebssystems,
dessen Hauptkomponenten im folgenden kurz beschrie
ben werden.
Das bekannte Antriebssystem hat einen Servomotor 8,
dessen Ausgangswelle 10 mit einer Kugelumlaufspindel ver
bunden ist, die in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 12 ange
deutet ist. Durch die Kugelumlaufspindel 12 wird die Dreh
bewegung des Servomotors 8 in eine Axialbewegung umgesetzt,
durch die in Abhängigkeit von der Ansteuerung ein Stell
schlitten 14 in Axialrichtung, d. h. parallel zur Achse der
Hauptspindel 6 verschiebbar ist. Im Stellschlitten 14 ist
ein Verbindungselement 16 drehbar gelagert, das mit einer
Verbindungsstange 18 gekoppelt ist. Die Verbindungsstange
18 ist axial verschiebbar in der Hauptspindel 6 geführt.
Zwischen dem werkzeugaufnahmeseitigen Endabschnitt der Ver
bindungsstange 18 und dem benachbarten Endabschnitt der in
der Hauptspindel 6 geführten Exzenterspindel 4 ist ein
Hub-Drehwandler 20 angeordnet, über den die Axialbewegung der
Verbindungsstange 18 in eine Drehbewegung und somit eine
Verdrehung der Exzenterspindel 4 mit Bezug zur Hauptspindel
6 umsetzbar ist.
Zur Verstellung wird der Servomotor 8 entsprechend an
gesteuert, so daß über die Kugelumlaufspindel 12 der Stell
schlitten 14 spiel frei entlang seiner Axialführung bewegt
wird und somit die Verbindungsstange 18 in die Hauptspindel
6 eintaucht. Die Axialbewegung der Verbindungsstange 18
wird durch den Hub-Drehwandler 20 in eine Drehbewegung der
Exzenterspindel 4 umgesetzt, so daß in Abhängigkeit von der
Ansteuerung des Schrittmotors 8 die Exzenterspindel 4 ver
stellt wird, so daß die Werkzeugschneide mit Bezug zur
Hauptspindel 6 einstellbar ist.
Die Hauptspindel 6 wird über eine strichpunktiert ange
deutete Riemenscheibe 22 angetrieben, so daß das in der
Werkzeugaufnahme 2 auf genommene Schneidwerkzeug - bei
spielsweise ein Ausdrehwerkzeug - in Rotation versetzt
wird. Da die zur Verstellung der Werkzeugschneide erforder
lichen Bauelemente im wesentlichen in der Hauptspindel 6
gelagert oder mit dieser verbunden sind, müssen erhebliche
Anstrengungen unternommen werden, um die gewünschte spiel
freie Übertragung der Stellbewegung des Servomotors 8 auf
die Exzenterspindel 4 zu gewährleisten.
Das in Fig. 1 dargestellte System hat darüber hinaus
einen sehr komplexen Aufbau, da eine mehrfache Übertragung
von translatorischen Bewegungen in Rotationsbewegungen er
forderlich ist. Die bewegten Massen sind bei diesem Zu
stellsystem relativ groß, so daß auch die Hauptspindellage
rung und die zum Antrieb der Hauptspindel 6 erforderlichen
Motoren entsprechend ausgelegt werden müssen.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein Zustellsystem für ein rotierendes Schneidwerkzeug und
ein Verfahren zur Ansteuerung eines derartigen Zustellsy
stemes zu schaffen, bei denen mit minimalem vorrichtungs
technischen Aufwand eine präzises Zustellung ermöglicht
ist.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Zustellsystems
durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und hinsichtlich
des Verfahrens durch die Merkmale des Patentanspruches 14
gelöst.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist, daß eine
die Zustellbewegung bewirkende Stelleinrichtung über eine
Betätigungswelle angetrieben wird, die über einen eigenen
Zustellmotor wahlweise synchron mit der Spindel oder aber
mit einer vorbestimmten Drehzahldifferenz zur Spindeldreh
zahl antreibbar ist. Im erstgenannten Fall, d. h. wenn die
Betätigungswelle und die Spindel mit gleicher Drehzahl an
getrieben werden, erfolgt keine Zustellbewegung der Stel
leinrichtung, da ein Übertragungselement der Stelleinrich
tung seine Relativposition zu einer Steuerfläche der Stel
leinrichtung beibehält. Im letztgenannten Fall, d. h. wenn
die Spindel und die Betätigungswelle mit unterschiedlichen
Drehzahlen angetrieben werden, erfolgt eine Zustellbewe
gung, da die Steuerfläche mit Bezug zum Übertragungselement
bewegt wird, solange die Drehzahldifferenz aufrechterhalten
bleibt. Sobald die das Schneidwerkzeug tragende Werkzeug
aufnahme in die Sollposition bewegt ist, wird die Drehzahl
der Betätigungswelle wieder auf die Drehzahl der Spindel
(oder umgekehrt) gebracht, so daß keine weitere Relativbe
wegung zwischen Steuerfläche und Übertragungselement er
folgt - der Zustellvorgang ist abgeschlossen. Die Steuer
fläche ist in der Regel am Außenumfang eines mit der Betä
tigungswelle verbundenen Wellenabschnitts ausgebildet und
kann beispielsweise in Evolventenform oder als Exzenterflä
che mit Bezug zur Spindeldrehachse ausgebildet werden.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Zustell-Systems
liegt darin, daß im wesentlichen nur rotierende
Bauelemente zur Bewirkung der Zustellbewegung eingesetzt
werden, so daß der vorrichtungstechnische Aufwand gegenüber
den herkömmlichen Lösungen, bei denen Translationsbewegun
gen in Rotationsbewegungen umgesetzt werden mußten, erheb
lich verringert werden kann.
Der Einsatz rotationssymmetrischer Bauelemente ermög
licht des weiteren extrem hohe Drehzahlen sowohl für die
Spindel als auch für die Betätigungswelle, so daß hohe Zer
spanungsleistungen realisierbar sind.
Durch geeignete Wahl der Steuerflächengeometrien lassen
sich unterschiedliche Zustellcharakteristiken realisieren,
so daß auch kleinste Maßkorrekturen oder -kompensationen im
Bereich von 0,001 mm durchführbar sind.
Da die Zustellbewegung alleine aufgrund einer Drehzahl
differenz zwischen Betätigungswelle und Spindel erfolgt,
läßt sich nahezu der gesamte Bereich der Steuerfläche durch
Drehzahlvariation stufenlos ausnutzen. Durch Wahl geeigne
ter Antriebssysteme können schnelle Zustellbewegungen auch
während des Zerpanungsvorgangs realisiert werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Betätigungswelle
zumindest abschnittsweise in der Spindel geführt ist. Die
Betätigungswelle kann in diesem Fall als Hohlwelle ausge
führt werden, so daß Kühl-/Schmiermittel durch die Betäti
gungswelle hindurch zur Werkzeugschneide geführt werden
kann.
Die Erfindung läßt eine Vielzahl von Konstruktionsvari
anten für Werkzeugaufnahmen zu. Beispielsweise kann diese
als Bohrstange ausgeführt werden, an deren Außenumfang ein
Biegeklemmhalter befestigt ist, dessen freier Endabschnitt
durch das gegen die Steuerfläche vorgespannte Übertragungs
element radial auslenkbar ist.
Alternativ dazu kann die Werkzeugaufnahme beispiels
weise als Zustellkopf ausgebildet werden, bei dem ein Zu
stellkopfteil radial verschiebbar auf einem an der Spindel
befestigten Führungskopfteil geführt ist. Bei dieser Vari
ante ist ein die Steuerfläche tragender Endabschnitt der
Betätigungswelle in Anlage an das im Zustellkopfteil aufge
nommene Übertragungselement bringbar.
Bei dieser Variante wird es bevorzugt, wenn Zustell
kopfteil und Führungskopfteil über ein Parallelfedersystem
miteinander verbunden sind.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
die Werkzeugaufnahme als Exzenterspindel ausgeführt, bei
der die Betätigungswelle mit einem Exzenter als Steuerflä
che versehen ist, dessen Mittelachse exzentrisch zur Achse
eines spindelseitigen Exzenterkopfes ausgebildet ist.
Die Herstellung der Steuerfläche läßt sich vereinfa
chen, wenn die Betätigungswelle mit einem Steuerteil verse
hen wird, an dem die Steuerfläche ausgebildet ist, so daß
lediglich das Steuerteil einer Feinstbearbeitung zur Aus
bildung der Steuerfläche unterzogen werden muß.
Die Steuerfläche kann in Evolventenform gekrümmt oder
aber - wie bereits oben erwähnt - als Exzenter (mit Bezug
zur Spindel) ausgeführt sein. Selbstverständlich lassen
sich auch andere Steuerflächengeometrien mit unterschiedli
chen Steigungen in Abhängigkeit vom Drehwinkel realisieren.
Zusätzlich zum radial verstellbaren Schneidwerkzeug
kann die Werkzeugaufnahme noch ein weiteres Vorbearbei
tungswerkzeug tragen, das vorzugsweise nicht über das er
findungsgemäße Zustellsystem einstellbar ist.
Die Spindel und die Betätigungswelle können über je
weils einen Riementrieb angetrieben werden oder - alterna
tiv dazu - direkt an den Rotor eines Elektromotors, bei
spielsweise eines Gleichstrommotors, eines Drehstrommotors
mit einem Frequenzumformer (beispielsweise eines Drehstrom-
Asynchronmotors) angekoppelt sein.
Zur Ansteuerung der Motoren läßt sich prinzipiell eine
analoge oder eine digitale Antriebstechnik einsetzen.
Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein bekanntes Zustellsystem mit Exzenterspin
del;
Fig. 2 den werkzeugseitigen Teil des ersten Ausfüh
rungsbeispiels eines Zustellsystems;
Fig. 3 eine Prinzipskizze zur Verdeutlichung der Funk
tion eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsge
mäßen Zustellsystems;
Fig. 4 eine Antriebsvariante für das Zustellsystem aus
Fig. 2;
Fig. 5 eine weitere Antriebsvariante für das Ausfüh
rungsbeispiel aus Fig. 2;
Fig. 6 eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels aus
Fig. 2;
Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel eines Zustellsystems
mit Zustellkopf;
Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel eines Zustellsystems
mit Exzenterspindel und
Fig. 9 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Stellbe
wegung der Exzenterspindel.
Anhand der Fig. 2 bis 5 wird zunächst ein erstes
Ausführungsbeispiel eines Zustellsystems mit unterschiedli
chen Antriebsvarianten erläutert. In der folgenden Be
schreibung werden für einander entsprechende Bauelemente
die gleichen Bezugszeichen wie bei der eingangs beschriebe
nen Fig. 1 verwendet.
Bei dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel
ist das Zustellsystem mit einem Feinbohrwerkzeug versehen,
über das beispielsweise Lagerbohrungen einer Lagergasse für
eine Kurbelwellen- oder Nockenwellenlagerung oder ähnliches
bearbeitbar sind.
Ausweislich Fig. 2 hat das erfindungsgemäße Zustellsy
stem eine Hauptspindel 6, an der das Schneidwerkzeug mit
einer Werkzeugschneide, im vorliegenden Fall eine Wende
schneidplatte 24 befestigt ist. Zur Kompensation von Feh
lern, die beispielsweise durch Schneidenverschleiß, Schnei
dentoleranz, Einstellfehlern oder Temperaturänderungen auf
treten können, kann die Schneide der Wendeschneidplatte 24
während des Bearbeitungsvorgangs in Radialrichtung ver
stellt werden. Dazu ist in der Hauptspindel eine Betäti
gungswelle 25 gelagert, die an ihrem werkzeugseitigen En
dabschnitt einen Steuernocken mit einer Steuerfläche 26
hat. An dieser liegt ein Übertragungselement, im Ausfüh
rungsbeispiel gemäß Fig. 2 ein Stift 28 an, der über einen
die Wendeschneidplatte 24 tragenden Biegeklemmhalter 30 ge
gen die Steuerfläche 26 vorgespannt ist.
Wie des weiteren Fig. 2 entnehmbar ist, hat die Spin
del 6 eine Bohrstange oder ein sonstiges Endstück 32, das
mit einem nabenförmigen Vorsprung 34 in eine radialerwei
terte Aufnahmebohrung der Spindel 6 eingeschraubt ist. Die
Spindel 6 ist von einer Führungsbohrung 35 durchsetzt, die
als Sacklochbohrung im Endstück 32 endet. Der Stift 28
durchsetzt die Umfangswandung der Führungsbohrung 35 und
hat dabei eine größere Länge als die Wandstärke in diesem
Bereich, so daß seine Endabschnitte in die Führungsbohrung
35 eintauchen bzw. aus dem Außenumfang des Endstückes 34
hervorstehen.
Der Biegeklemmhalter 30 ist als Blattfeder mit einer
die Federwirkung unterstützenden Ausnehmung 36 ausgebildet
und mit dem in Fig. 2 linken Endabschnitt durch strich
punktiert angedeutete Befestigungsschrauben 38 an einer Ab
flachung des Endstückes 32 (Bohrstange) befestigt. Durch
eine Radialbewegung des Stifts 28 kann der die Wende
schneidplatte 24 tragende Endabschnitt des Biegeklemmhal
ters 30 von einer Dichtung abgehoben und radial nach außen
bewegt werden, so daß die Schneide der Wendeschneidplatte
in Zustellrichtung bewegt wird.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Steuerfläche 26 nicht direkt an der Betätigungs
welle 25 sondern an einem Steuerteil 42 ausgebildet, das
über einen Gewindebolzen 44 mit der Betätigungswelle 25
verschraubt ist. Zur drehsicheren Verbindung greift der in
Fig. 2 rechte Endabschnitt des Steuerteils 42 formschlüs
sig in den benachbarten Endabschnitt der Betätigungswelle
25 ein.
Die Steuerfläche 26 ist zwischen zwei im Axialabstand
zueinander stehenden Ringnuten 46, 48 ausgebildet.
Fig. 3 zeigt eine schematische dreidimensionale Dar
stellung, aus der das Funktionsprinzip der erfindungsgemä
ßen Zusteileinrichtung entnehmbar ist. Demgemäß ist die Be
tätigungswelle 25 oder, genauer gesagt, der Außenumfang des
Steuerteiles 42 im Bereich zwischen den in Fig. 3 nicht
dargestellten Ringnuten 46, 48 in Form einer Evolvente 50
gekrümmt, so daß die Steuerfläche 26 das in Fig. 3 ange
deutete Querschnittsprofil erhält.
Der Stift 28 ist über den federnden Endabschnitt des
Biegeklemmhalters 30 gegen das Evolventenprofil der Steuer
fläche 26 vorgespannt, d. h. der Stift 28 liegt einerseits
am Biegeklemmhalter 30 und andererseits am Steuerteil 42
an. Der Deutlichkeit halber sei angemerkt, daß der Biege
klemmhalter 30 in der Darstellung nach Fig. 3 an der nicht
dargestellten Hauptspindel 6 befestigt ist.
Bei einer Relativverdrehung des Steuerteiles 42 mit der
Steuerfläche 26 in Pfeilrichtung nach rechts (Drehrichtung
für zunehmenden Durchmesser) wird der Stift 28 in der Dar
stellung nach Fig. 3 durch das Evolventenprofil 50 nach
oben ausgelenkt, so daß der Biegeklemmhalter 30 und damit
das Schneidwerkzeug 24 in Radialrichtung zugestellt wird.
Durch eine derartige Zustellbewegung wird somit der Boh
rungsdurchmesser vergrößert.
Bei einer Relativverdrehung der Betätigungswelle 25 und
damit der Steuerfläche 26 nach links (Ansicht nach Fig. 3)
wird der Stift 28 nach unten bewegt, so daß die Radialaus
lenkung des Biegeklemmhalters 30 verringert und der Boh
rungsdurchmesser verkleinert werden.
Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Zustellsystems
ist, daß im Ausgangszustand, d. h. dann, wenn keine Zustel
lung gewünscht ist, die Hauptspindel 6 und die Betätigungs
welle 25 synchron mit gleicher Drehzahl angetrieben werden,
so daß der in der Hauptspindel 6 befestigte Stift 28 seine
Relativposition auf dem Evolventenprofil 50 beibehält und
somit keine Radialauslenkung des an der Hauptspindel 6 be
festigten Biegeklemmhalters 30 erfolgt.
Zur Bewirkung einer Zustellbewegung wird die Drehzahl
der Betätigungswelle 25 und damit der Steuerfläche 26 ge
genüber der Drehzahl der Hauptspindel 6 verändert, so daß
die Steuerfläche in der vorbeschriebenen Art und Weise ge
genüber dem Stift 28 gedreht wird und somit die Auslenkung
durch Wahl der Drehzahldifferenz einstellbar ist. Sobald
die gewünschte Auslenkung des Biegeklemmhalters 30 einge
stellt ist, wird die Drehzahl der Betätigungswelle 25 wie
der an die Spindeldrehzahl angepaßt, so daß keine weitere
Zustellbewegung erfolgt. Die Zustellung erfolgt vorzugs
weise während des Zerspanungsvorgangs, so daß keinerlei
Stillstandszeiten durch den Zustellvorgang verursacht wer
den. Selbstverständlich kann die Zustellbewegung auch dann
erfolgen, wenn die Werkzeugschneide außer Eingriff mit dem
Werkstück steht.
Fig. 4 zeigt in stark vereinfachter Form einen Schnitt
durch das in Fig. 2 dargestellte Zustellsystem, wobei der
Antrieb des Zustellsystems detailliert in Schnittdarstel
lung gezeigt wird.
Der in Fig. 4 linke Teil entspricht im wesentlichen
der Darstellung aus Fig. 2. Gezeigt ist somit ein Fein
bohrwerkzeug, bei dem das Endstück 32 - auch Bohrstange ge
nannt - an der Hauptspindel 6 befestigt ist. In der Haupt
spindel 6 ist die Betätigungswelle 25 geführt, an deren in
Fig. 4 linken Endabschnitt das Steuerteil 42 mit der Steu
erfläche 26 angekuppelt ist. Der Stift 28 ist zwischen Bie
geklemmhalter 30 und der Steuerfläche 26 in der Umfangswan
dung der Bohrstange 32 geführt.
Die Betätigungswelle 25 ist über Wälzlager 52 in einer
Lagerbohrung der Hauptspindel 6 gelagert. An dem vom Lager
52 entfernten Endabschnitt der Betätigungswelle 25 ist eine
rotierende Zuführung 54 für Kühl-/Schmiermedien
(beispielsweise Öl, Luft) angeordnet. Die Betätigungswelle
25 und das Steuerteil 42 sind mit einer Axialbohrung verse
hen, über die das Kühl-/Schmiermittel von der Zuführung 54
zum Schneidwerkzeug führbar ist. In diesem Bereich sind
weitere, nicht gezeigte Lager zur Abstützung der Betäti
gungswelle 25 vorgesehen. Die Lagerung kann auch auf an
dere, konstruktiv sinnvolle Weise ausgelegt werden.
Der Antrieb der derart gelagerten Betätigungswelle 25
erfolgt über einen Zustellinotor 56, dessen Rotor 58 dreh
fest mit der Betätigungswelle 25 verbunden ist. Als Zu
stellmotor 56 sind unterschiedliche Bauarten, wie bei
spielsweise Gleichstrommotoren oder Drehstrommotoren mit
Frequenzumformer einsetzbar. Wichtig ist, daß der Rotor 58
spielfrei mit der Betätigungswelle 25 gekoppelt ist. Im vor
liegenden Fall erfolgt dies durch eine Paßfeder 60.
Die Drehzahl der Betätigungswelle 25 und damit des Ro
tors 58 wird über einen Meßaufnehmer 62 erfaßt. Der Elek
tromotor 56 hat ein Gehäuse 66, in dem Wälzlager zur Ab
stützung des Rotors 58 angeordnet sind. Das Gehäuse 66 ist
an der Werkzeugmaschine befestigt.
Der Antrieb der Hauptspindel 6 erfolgt über einen Spin
delmotor 64, der vom Grundprinzip her baugleich mit dem Zu
stellmotor 56 ist. In der Regel wird der Spindelmotor 64
jedoch eine höhere Antriebsleistung als der Zustellmotor
erfordern, da durch diesen die Zerspanungsleistung aufzu
bringen ist.
Das Gehäuse 66 des Spindelmotors ist auf einer Vorschu
beinheit oder einem Bohrschlitten 68 der Werkzeugmaschine
befestigt, der in Z-Richtung, d. h. in Axialrichtung der
auszubildenden Bohrung verschiebbar ist.
Ein Rotor 70 des Spindelmotors 64 ist spiel frei mit der
Hauptspindel 6 verbunden, wobei die Lagerung des Rotors 70
wiederum über Wälzlager im Gehäuse 66 erfolgt. Die Drehzahl
des Rotors 70 und damit der Hauptspindel 6 wird über einen
Meßaufnehmer 72 erfaßt. Die in Fig. 4 dargestellte Ausfüh
rungsform des Zustellsystems hat aufgrund der koaxialen
Ausrichtung der Hauptspindel 6, der Betätigungswelle 25 und
der beiden Antriebsmotoren 56, 64 einen sehr kompakten Auf
bau, wobei durch die direkte Ankopplung der beiden Motoren
56, 64 die rotierenden Massen auf ein Minimum beschränkt
sind. Durch geeignete Antriebstechnik lassen sich die bei
den Antriebsmotoren 56, 64 synchron oder exakt mit der ge
wünschten Drehzahldifferenz einstellen, so daß die gesamte
Steuerfläche für die Zustellbewegung einstellbar ist. Die
Ansteuerung der beiden Motoren 56, 64 erfolgt vorzugsweise
über digitale Antriebstechnik.
Wie bereits vorstehend angedeutet wurde, werden bei der
Ausbildung einer zylindrischen Bohrung beide Antriebsmoto
ren 56, 64 mit der gleichen Drehzahl betrieben, wobei die
Relativposition des Stiftes 28 mit Bezug zur Steuerkurve 26
zunächst durch eine geeignete Drehzahldifferenz eingestellt
wird. Der Durchmesser der fertiggestellten Bohrung wird
während des Bearbeitungsvorgangs oder unmittelbar danach
über eine geeignete Meßstation erfaßt, so daß bei Abwei
chungen vom Sollmaß eine entsprechende Kompensation durch
Ansteuerung des Zustellmotors 56 erfolgen kann.
Bei der Ausbildung von Bohrungen, deren Durchmesser in
Abhängigkeit von der Bohrungslänge variabel ist
(beispielsweise Bohrungen mit konvex- oder konkavgekrümmten
Umfangswandungen oder bei der Ausbildung von Nuten, etc.),
erfolgt die Ansteuerung des Zustellmotors 56 in Abhängig
keit von dem Vorschub oder der Bohrungstiefe. D.h. bei der
artigen Anwendungen muß die Steuerung des Vorschubsignales
und das Ist-Maß der Bohrungen berücksichtigt werden, um die
erforderliche Zustellbewegung über eine Drehzahldifferenz
einstellen zu können.
In Fig. 5 ist eine weitere Variante eines Antriebs für
das Zustellsystem angedeutet.
Während beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel die
Antriebsmotoren direkt an die Hauptspindel 6 bzw. die Betä
tigungswelle 25 angekoppelt waren, wird bei dem in Fig. 5
dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem lediglich der
antriebsseitige Teil des Zustellsystems gezeigt ist, ein
Riementrieb zur Übertragung der Antriebsmomente des Zu
stellmotors 56 bzw. des Spindelmotors 64 verwendet.
Die Hauptspindel 6 ist über Wälzlager 76, 77 in einem
Gehäuse 78 gelagert, das am Bohrschlitten 68 befestigt ist.
An dem in Fig. 5 rechten, in Radialrichtung zurückgestuf
ten Endabschnitt der Hauptspindel 6 ist eine Spindelzahn
riemenscheibe spielfrei gelagert, die von einem Zahnriemen
82 angetrieben wird, der seinerseits mit einer Abtriebs
scheibe 84 des Spindelmotors 64 kämmt, der im Parallelab
stand zur Spindelachse angeordnet ist. Der in Fig. 5 linke
Endabschnitt der Betätigungswelle 25 ist - ähnlich wie beim
vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel - über Wälzlager 86 in
der Hauptspindel 6 gelagert. Der andere Endabschnitt der
Betätigungswelle 25 wird über Lageranordnungen abgestützt,
die im Bereich der Zuführung 54 für Kühl-/Schmiermittel an
geordnet sein können. Über diese rotierende Zuführung 54
kann das Kühl-/Schmiermittel durch die gestrichelt angedeu
tete Axialbohrung 88 hindurch zur Werkzeugschneide geführt
werden.
Im Bereich der Zuführung 54 ist eine Zahnriemenscheibe
90 drehfest mit der Betätigungswelle 25 verbunden, die über
einen Zahnriemen 92 mit der Abtriebsscheibe 94 kämmt, so
daß das Antriebsmoment des Zustellmotors 56 auf die Betäti
gungswelle 25 übertragbar ist.
Die Drehzahlen der Spindel-Zahnriemenscheibe 80 und der
Zahnriemenscheibe 90 werden wiederum über Meßaufnehmer 72
bzw. 62 aufgenommen, die mit der Steuereinheit zur Ansteue
rung der beiden Antriebsmotoren 56, 64 verbunden sind.
Die Ansteuerung erfolgt im wesentlichen auf die gleiche
Weise wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel, so daß
auf weitere Erläuterungen verzichtet werden kann.
Die in Fig. 5 dargestellte Variante hat den Vorteil,
daß die Axiallänge des Zustellsystems gegenüber dem Ausfüh
rungsbeispiel aus Fig. 4 geringer ist und daß der Zahnrie
menantrieb eine robuste und einfach zu wartende Konstruk
tion darstellt, die die Verwendung von Standardbauteilen
ermöglicht und auch nachträglich durch Austausch der Zahn
riemenscheiben auf einfache Weise Änderungen der Antrieb
scharakteristik ermöglicht.
In Fig. 6 ist eine Variante des Zustellsystems aus Fig.
2 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die
Wendeschneidplatte 24 ebenfalls an einem Biegeklemmhal
ter 30 befestigt, der über die Steuerfläche 26 und den
daran anliegenden Stift 28 in Radialrichtung auslenkbar
ist, um den Bohrungsdurchmesser auf einen Sollwert zu brin
gen.
Bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Schneide der Wendeschneidplatte 24 eine Vorbearbei
tungsschneide 112 vorgeschaltet, über die die auszubildende
Bohrung zunächst grob auf Maß bringbar ist, während die
nachgeschaltete Wendeschneidplatte 24 die Feinstbearbeitung
übernimmt. Wie Fig. 6 entnehmbar ist, ist die Vorbearbei
tungsschneide 112 nicht einstellbar ausgeführt.
In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei
dem anstelle der an die Hauptspindel 6 gekoppelten
Bohrstange 82 mit Biegeklemmhalter 30 ein Zustellkopf 98
verwendet wird.
Wie bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist an
der Betätigungswelle 25 ein Steuerteil 42 befestigt, an
dessen Außenumfang eine Steuerfläche 26 ausgebildet ist.
Diese kann - ähnlich wie bei dem in Fig. 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel - wieder in Form einer Evolvente ge
krümmt sein.
Die Steuerfläche 26 ist bei dem in Fig. 7 gezeigten
Ausführungsbeispiel an einem in Radialrichtung erweiterten
Steuerbund ausgebildet. Die Befestigung des Steuerteiles 42
mit der Betätigungswelle 25 erfolgt mittels einer Axial
schraube 100, die in einen stirnseitigen Zapfen der Betäti
gungswelle 25 eingeschraubt ist.
Der Zustellkopf 98 hat ein Führungskopfteil 102, das
mit den Stirnseiten der Hauptspindel 6 verschraubt ist. Das
Führungskopfteil 102 ist über zwei Parallelfedern 110, 111
mit einem Zustellkopfteil 104 verbunden, die die Trennebene
zwischen den beiden Kopfteilen überbrücken. In der in Fig.
7 dargestellten Grundposition ist das Zustellkopf
teil 104 koaxial zum Führungskopfteil 102 gehalten. Die
Parallelfedern 110, 111 gewährleisten, daß die Paralle
lanordnung der Kopfteile 102, 104 auch bei einer Radialver
schiebung des Zustellkopfteils 104 aufrechterhalten bleibt.
Der mit der Steuerfläche 26 versehene Radialbund taucht
in eine Führungsbohrung 106 des Zustellkopfteiles 104 ein
und liegt an einer gehärteten Anlagescheibe 108 an, die
mittels eines Paßstiftes 107 und einer Schraube 105 mit der
Umfangswandung des Zustellkopfteiles 104 verbunden ist.
An der freien Stirnfläche des Zustellkopfteiles 104 ist
die das Schneidwerkzeug 24 tragende Bohrstange 32 befe
stigt, so daß durch eine Radialverschiebung des Zustell
kopfteiles 104 eine Zustellbewegung des Schneidwerkzeu
ges 24 bewirkt wird.
Die in Fig. 7 dargestellte Position oder jedwede vor
eingestellte Relativposition des Zustellkopfteiles 104 mit
Bezug zum Führungskopfteil 102 wird beibehalten, solange
die Spindel 6 und die Betätigungswelle 25 mit gleicher
Drehzahl synchron angetrieben werden. Sobald die Drehzahl
der Betätigungswelle 25 gegenüber der Spindeldrehzahl ver
ändert wird, erfolgt eine Relativverdrehung der Steuerflä
che 26 mit Bezug zu der Anschlagscheibe 108, so daß auf
grund der Steigung der Evolventenkurve das Zustellkopf
teil 104 radial nach außen oder nach innen bewegt und somit
das Schneidwerkzeug 24 parallel zur Zustellrichtung verfah
ren wird. Während dieser Verschiebung des Zustellkopftei
les 104 mit Bezug zum Führungskopfteil 102 sorgen die bei
den Parallelfedern 110, 111 für eine Parallelstellung die
ser beiden Bauteile, so daß kein Kippen der Bohrstange 32
erfolgen kann. Ein derartiges Kippen würden die Schneiden
geometrie verändern, so daß eine weitere Kompensation zum
Ausgleich des damit verbundenen Fehlers erforderlich wäre.
Die Anschlagscheibe 108 wird über die beiden Parallel
federn 110, 111 in einer Anlageposition an der Steuerflä
che 26 gehalten.
Die in Fig. 7 dargestellte Konstruktion des Zustell
kopfes mit zwei Parallelfedern und zueinander verschiebba
ren Kopfteilen erlaubt nur vergleichsweise geringe Zustell
bewegung, so daß ein derartiger Zustellkopf bevorzugter
weise kleinere Bohrungen, beispielsweise mit einem Durch
messer bis zu 60 mm einsetzbar ist.
Die Bohrstange aus Fig. 2 mit daran befestigtem Biege
klemmhalter eignet sich besonders gut für größere Bohrun
gen.
In den Fig. 8 und 9 ist ein letztes Ausführungsbei
spiel des erfindungsgemäßen Zustellsystems dargestellt, bei
dem die Werkzeugaufnahme, d. h. die Bohrstange 32 an einem
Exzenterkopf gelagert ist. Ein derartiger Exzenterkopf ist
prinzipiell bereits aus dem Stand der Technik bekannt, so
daß im folgenden lediglich auf einige erfindungswesentliche
Bauelemente eingegangen werden muß.
Der Antrieb der Betätigungswelle 25 und der Hauptspin
del 6 erfolgt - wie beim Ausführungsbeispiel in Fig. 5 -
wiederum über Antriebsmotoren 56 bzw. 64, die über Riemen
scheiben 90, 94 bzw. 80, 84 und Zahnriemen 92 bzw. 82 mit
der Betätigungswelle 25 und der Spindel 6 verbunden sind.
Letztere ist wiederum über Wälzlager 76, 77 in einem Spin
del-Gehäuse 78 gelagert, das an dem Bohrschlitten 68 - auch
Vorschubeinheit genannt - befestigt ist. Die Drehachse der
Spindel 6 ist in der Darstellung nach Fig. 8 mit M2 ge
kennzeichnet.
Die Betätigungswelle 25 ist wie bei den vorbeschriebe
nen Ausführungsbeispielen innerhalb der Spindel 6 gelagert
und hat einen Antriebswellenabschnitt 120, an dessen in Fig.
8 rechtem Endabschnitt die Zahnriemenscheibe 90 und die
Zuführung 54 für Kühl-/Schmiermittel ausgebildet sind. An
dem anderen Ende des Antriebswellenabschnittes 120 ist ein
innenverzahntes Kegelrad 122 ausgebildet, das mit einem
entsprechenden außenverzahnten Kegelrad 124 kämmt. Letzte
res ist an einem Exzenterwellenabschnitt 126 der Betäti
gungswelle 25 ausgebildet.
Der Antriebswellenabschnitt 120 verläuft koaxial zur
Drehachse M2 und ist über Wälzlager 128 in der Hauptspin
del 6 gelagert.
Der Exzenterwellenabschnitt 126 ist ebenfalls über ge
eignete Wälzlager 130 in der Spindel 6 abgestützt, wobei
die Exzentermitte durch die Achse M1 gekennzeichnet ist.
Der Antriebswellenabschnitt 120 und der Exzenterwellenab
schnitt 126 sind von einem durchgängigen Bohrungssystem 132
durchsetzt, über das Kühl-/Schmiermittel von der Zufüh
rung 54 hin zur Werkzeugschneide 24 leitbar ist.
An der Stirnseite des Exzenterwellenabschnitts 126 ist
die Bohrstange 32 mit dem Schneidwerkzeug 24 befestigt,
d. h., die Mittelachse der Bohrstange 32 verläuft koaxial
zur Achse M1 des Exzenters. Die Zustellbewegung oder Verän
derung der Schneideneinstellung erfolgt durch Verdrehen des
Exzenterwellenabschnitts 126 mit Bezug zur Hauptspindel 6,
so daß der Radialabstand zwischen der Hauptspindeldrehachse
M2 und der Werkzeugschneide aufgrund der Exzentrizität ver
ändert wird. Diese Stellbewegung ist schematisch in Fig. 9
dargestellt. M1 und M2 kennzeichnen die Drehachsen der
Bohrstange 32 bzw. der Hauptspindel 6. Die Wende
schneidplatte 24 ist auf der Bohrstange 32 befestigt und
bewegt sich somit bei einer Relativverdrehung der
Bohrstange 32 gegenüber der Hauptspindel 6 auf einem Kreis
bogen 130. Aufgrund des Abstands e zwischen den Achsen M1
und M2 ändert sich bei dieser Relativverdrehung der Radial
abstand zwischen der Hauptspindelachse M2 und der Werkzeug
schneide. D.h., bei der mit #1 gekennzeichneten Position
bewegt sich die Werkzeugschneide bei angetriebener Spindel
auf einem Drehkreis 132 mit vergleichsweise großem Außen
durchmesser. Bei einer Verstellung des Exzenterwellenab
schnitts um einen Winkel α gegenüber der Hauptspindel läßt
sich ein Drehkreis 134 mit einem mittleren Durchmesser und
bei einer Relativverdrehung um einen Winkel β ein Drehkreis
136 mit geringerem Durchmesser einstellen.
Für den Fall, daß die Schneideneinstellung dem Sollwert
entspricht, werden die Hauptspindel 6 und die Betätigungs
welle 25 - oder genauer gesagt, deren Antriebswellenab
schnitt 120 und Exzenterwellenabschnitt 126 mit gleicher
Drehzahl betrieben, so daß keine Relativbewegung zwischen
Exzenterwellenabschnitt 126 und Hauptspindel 6 erfolgt - die
Schneideneinstellung wird beibehalten und eine Bohrung mit
konstantem Durchmesser ausgebildet.
Zur Veränderung des Bohrungsdurchmessers und zur Kom
pensation von Produktionsfehlern wird die Drehzahl des Zu
stellmotors 56 soweit verändert, bis sich eine vorbestimmte
Drehzahldifferenz zwischen dem Exzenterwellenabschnitt 126
und der Spindel 6 einstellt, so daß die vorbeschriebene
Stellbewegung erfolgt. Nach Erreichen dieses Sollwertes
werden die Hauptspindel 6 und die Betätigungswelle 25 wie
der - wie bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel - mit
der gleichen Drehzahl angetrieben, so daß keine Relativver
schiebung zwischen Exzenter und Spindel 6 erfolgt.
Eine derartige Exzenterspindel ist in Abhängigkeit von
der Exzentrizität prinzipiell für Bohrungsdurchmesser von
10 mm und größer einsetzbar.
Die Drehzahlen der Spindel 6 und der Betätigungs
welle 25 werden wiederum über Meßaufnehmer 72 bzw. 62 auf
genommen, über die eine geeignete Ansteuerung erfolgt. Die
Führungsgrößen für den Vorschub und für die Drehzahl der
Motoren werden beispielsweise in einem Interpolator aus dem
von den Meßaufnehmern 62, 72 erfaßten Daten, der Geometrie
des Werkzeuges und der Vorschubbewegung generiert. In den
als Folgesystem arbeitenden Lageregelkreisen werden über
die Mechanik des Bohrschlittens und durch entsprechende An
steuerung der Antriebsmotoren die gewünschte Ist-Position
des Werkzeuges eingestellt. Wichtig ist dabei, daß die di
gitale oder analoge Antriebstechnik einen winkelgenauen
Synchronbetrieb der Hauptspindel 6 und der Betätigungswelle
ermöglichen, so daß die gewünschte Soll-Größe konstant ge
halten werden kann. Das Konstruktionsprinzip mit ineinander
geführten Antriebswellen (Spindel, Betätigungswelle) hat
eine hohe Steifigkeit, die sich direkt an der Werkzeug
schneide durch minimale Auslenkungen auswirkt. Da im we
sentlichen rotationssymmetrische Teile verwendet werden, ist
das erfindungsgemäße Zustellsystem auch für hohe Drehzahlen
geeignet. Die dynamischen Servoantriebe (Zustellmotoren 56,
64) ermöglichen schnelle Zustellbewegungen, die auch wäh
rend des Zerspanungsvorganges erfolgen können, so daß auch
eine komplizierte Bohrungsgeometrie mit hoher Genauigkeit
herstellbar sind.
Offenbart ist ein Zustellsystem für ein rotierendes
Schneidwerkzeug, das von einer Spindel angetrieben wird und
über eine Stelleinrichtung in Zustellrichtung verstellbar
ist. Die Stelleinrichtung wird von einer Betätigungswelle
angetrieben, die mittels eines eigenen Zustellmotors syn
chron mit der Spindel oder mit einer vorbestimmten Dreh
zahldifferenz mit Bezug zur Spindel antreibbar ist. Bei syn
chronem Antreiben von Betätigungswelle und Spindel erfolgt
keine Zustellung, während bei Einstellung einer Drehzahl
differenz über die Stelleinrichtung eine Verstellung des
Schneidwerkzeuges erfolgt. Nach Einstellung der Soll-Posi
tion des Schneidwerkzeuges werden die Betätigungswelle und
die Spindel wieder mit gleicher Drehzahl betrieben.