DE19858669A1 - Arbeitseinheit für eine Werkzeugmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Betriebseinheiten bzw. Arbeitseinheiten von automatischen Werkzeugmaschinen, und insbesondere von Werkzeugmaschinen, welche einen Drehtisch haben.

Die letzteren, welche auch als Transfermaschinen bekannt sind, bestehen im wesentlichen aus einer Serie von Arbeitsstationen, welche um einen Werktisch herum angeordnet sind, wobei der Werktisch abhängig von der Maschinenart seine Rotationsachse horizontal oder vertikal angeordnet haben kann. Der Tisch, welcher mit kontrollierter Bewegung um seine Achse dreht, trägt die auf ihm vom Produktionspersonal bei einer geeigneten Ladestation montierten Werkstücke entlang der verschiedenen Stationen, an welchen ein programmierter Betriebszyklus ausgeführt wird.

Die zuvor genannten Stationen umfassen jede mindestens eine Arbeitseinheit und auf letztere bezieht sich die vorliegende Erfindung.

Wie bereits bekannt ist, haben diese Einheiten eine Spindel, welche dazu dient ein Werkzeug zu tragen, welche gewöhnlich auf solch eine Weise montiert ist, daß sie neben der Drehbewegung um ihre eigene Arbeitsachse (im allgemeinen als "Z"-Achse bezeichnet) auch eine Translationsbewegung entlang ihrer Achse ausführen kann.

Zu diesem Zweck ist die Spindel gewöhnlich in einer koaxialen Hülse untergebracht, bezüglich welcher sie frei drehen kann, mit welcher sie jedoch fest verbunden ist bezüglich der erwähnten axialen Translationsbewegungen. Folglich, wenn die Hülse, welche keine Rotationsmöglichkeiten hat, dazu gebracht wird entlang der Z-Achse bezüglich eines zu bearbeitenden Werkstücks vor- oder zurückzulaufen, macht die Spindel auch ähnliche Bewegungen, unabhängig von ihrem Rotationszustand. Es versteht sich, daß es hierdurch möglich ist ein Gewindeschneiden oder andere Bearbeitung von Werkstücken durchzuführen, welche es erfordern, dem Werkzeug eine helische Trajektorie zu verleihen.

Die Axialbewegungen der Spindel und der Hülse werden mit hydraulischen oder elektromechanischen Systemen erhalten, welche von außen auf die Hülse wirken, wohingegen bezüglich der Drehung der Spindel Motoren verwendet werden, welche mit der Spindel mittels verschiedener Arten von Übertragung bzw. Getriebe gekoppelt sind, wie z. B. Zahnriemen und Riemenscheiben, Reduktionsmechanismen mit Zahnrädern, und dergleichen.

Es ist jedoch wichtig die Tatsache zu beachten, daß um der Spindel ihre Dreharbeitsbewegung zu verleihen, während sie gleichzeitig frei ist sich zusammen mit der Hülse axial zu bewegen, es notwendig ist, geeignete Vorrichtungen auf der Ebene ihrer Verbindung mit dem entsprechenden Antriebsmotor anzuordnen.

Tatsächlich ist der Motor in bekannten Betriebseinheiten fest montiert bezüglich der Spindel (d. h. er macht ihre Translationsbewegung nicht mit), welche gemäß einer gegenwärtig weitverbreiteten technischen Lösung für den Antrieb an ihrem hinteren Ende longitudinale Keilnuten hat, die koaxial gekoppelt sind mit einer Hülle, welche ebenfalls innen Keilnuten hat: auf der Hülle sind dann Riemenscheiben oder andere mechanische Elemente montiert, welche geeignet sind zur Aufnahme der Motorbewegung, so daß die Spindel dazu gebracht wird aufgrund der Hülle zu rotieren, wegen der Kopplung der entsprechenden Keilnuten, welche gleichzeitig eine Relativbewegung in einer Axialrichtung wie gewünscht zulassen.

Ein Beispiel einer Arbeitseinheit, welche diese strukturelle Konfiguration hat, wird in der italienischen Patentanmeldung mit der Nr. MI 93 A 002548 beschrieben, welche bereits veröffentlicht wurde und deren Eigentümer der Anmelder der vorliegenden Anmeldung ist.

Im Lichte des Erklärten ist es möglich zu verstehen, daß ein solcher Entwurf einer Betriebseinheit, obwohl er den Vorteil der Einfachheit und Zuverlässigkeit hat, nichtsdestotrotz einige Nachteile hat, welche seine Leistungsfähigkeit begrenzen und daher indirekt auch jene der Einheit selbst.

Beispielsweise ist es notwendig zu beachten, daß die Sperrigkeit, welche sich aus dem Vorhandensein des Motors mit dem entsprechenden mechanischen Getriebe, sei es ein Zahnriemen, ein Zahnrad oder anderes Mittel, ergibt, nicht vernachlässigbar ist und zu Schwierigkeiten führen kann, insbesondere im Falle von Werkzeugmaschinen, welche eine große Zahl von Betriebseinheiten haben: Werkzeugmaschinen, welche acht oder mehr Arbeitsstationen haben sind in der Praxis in der Tat nicht selten, und unter solchen Umständen wird die oben erwähnte Sperrigkeit ein Faktor, welcher eine stark negative Wirkung auf die Komplexität der Maschine und daher auf deren Herstellbarkeit hat.

Ferner kommen die Trägheiten ins Spiel, welche die Rotation der Spindel beeinflussen und in bekannten Arbeitseinheiten hoch sind. Dies macht die Steuerung der Rotation schwierig und kann daher die Präzision der Bearbeitungsvorgänge, welche von der Einheit ausgeführt werden, verringern. Je höher die Rotationsgeschwindigkeit der Spindel ist, desto ausgeprägter sind diese negativen Wirkungen, und daher stellen sie eine intrinsische Verbindung dar bei der Erzielung einer verbesserten Leistungsfähigkeit und Produktivität der Werkzeugmaschinen.

Im Hinblick auf diesen Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Arbeitseinheit für automatische Werkzeugmaschinen zu schaffen, welche strukturelle und betriebliche Merkmale hat, um die in den oben beschriebenen, gegenwärtig bekannten Einheiten auftretenden Nachteile zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird durch eine Betriebseinheit gelöst, deren Merkmale in den angehängten Ansprüchen beschrieben werden.

Die Erfindung wird besser verständlich im Lichte der ausführlichen Beschreibung einiger ihrer beispielhaften und nicht beschränkenden Ausführungen, welche unten auf der Grundlage der angehängten Zeichnungen bereitgestellt werden, in welchen:

Fig. 1 eine Ansicht in partiellem Längsschnitt einer Arbeitseinheit nach der Erfindung ist; und

Fig. 2 eine Ansicht in partiellem Längsschnitt einer Variante der Arbeitseinheit in Fig. 1 ist.

In den Zeichnungen bezeichnet die Bezugsziffer 1 die Arbeitseinheit der Erfindung als ganzes, welche elektromechanisch sein kann wie in Fig. 1, oder hydraulisch wie in Fig. 2. Zum Zwecke einer verkürzten Beschreibung werden die Elemente, welche der elektromechanischen und der hydraulischen Version der Einheit gemeinsam sind, durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet. Die Einheit 1 umfaßt einen Außenkörper 2, welcher zylindrisch und innen hohl ist, in welchem eine Hülse 3 untergebracht ist, um in der Lage zu sein entlang der Achse Z der Einheit zu gleiten. Der Außenkörper 2 ist an der lasttragenden Struktur der Werkzeugmaschine festgemacht (in den Zeichnungen leicht angedeutet), während die Hülse 3 in ihrem inneren eine Arbeitsspindel 4 einschließt.

Genauer gesagt wird die Spindel 4 in der Hülse 3 drehbar getragen durch eine Serie von Lagern 5, welche sie bezüglich der Hülse axial verriegelt halten und entlang ihr angeordnet sind zwischen einem Vorderende 4a und einem Hinterende 5b der Spindel.

Die Hülse 3 ist hinten vorgesehen, d. h. zum Hinterende 5b der Spindel hin, mit einer Vorrichtung 6, welche sich dazu radial erstreckt und eine Stange 14 umfaßt, welche auf dem Außenkörper 2 festgemacht ist, die die Rotation der Hülse selbst verhindert.

Für die Axialbewegungen der Hülse 3, und daher der mit ihr rigid verbundenen Spindel 4, ist in der elektromechanischen Version der Betriebseinheit dieses Beispiels eine Anordnung aus Schraube 13 und Mutter 8 vorgesehen, welche in einer bevorzugten Form einen Kugelumlauf hat, montiert auf der Außenseite des Körpers 2 mit ihrer Achse parallel zur Arbeitsachse der Einheit (siehe Fig. 1).

Insbesondere ist die Schraube 13 in einer Axialrichtung bezüglich der Hülse 3 verriegelt und wird um ihre eigene Achse durch einen Motor 10 gedreht, welcher mit ihr verbunden ist mittels eines Getriebes mit einem Zahnriemen 11 und Riemenscheiben 12. Die Mutter 8 ist jedoch rigid verbunden mit der Hülse 2, da sie auf deren Bock 6a montiert ist.

Daher, wenn die Schraube 13 von dem Motor 10 dazu gebracht wird zu rotieren, macht die Mutter 8, mit der sie gekoppelt ist, eine Translationsbewegungen parallel zur Achse Z, und nimmt die Hülse 3 mit, mit welcher sie fest verbunden ist.

Da auf der anderen Seite der Hülse ihr Bock 6 so eingefaßt ist, daß er in der Lage ist entlang einer Führung 14 parallel zur Achse Z zu gleiten, werden ihre von der Anordnung aus Schraube und Mutter gesteuerten Axialbewegungen, neben der Kopplung der Hülse mit dem Außenkörper 2, auch durch die vorher genannte Führung 14 geführt, welche deren Rotation um ihre Achse verhindert.

Die hydraulische Version der Einheit 1 unterscheidet sich von der elektromechanischen im Grunde genommen in der Tatsache, daß anstelle der Anordnung aus Schraube und Mutter und der anderen verbundenen Elemente, die Hülse 3 extern mit zwei vorstehenden zirkularen Rippen 20 ausgestattet ist. Vorteilhafterweise werden die Rippen eng zusammengebracht, so daß zwischen ihnen eine Dichtung plaziert werden kann, welche in den Zeichnungen keine Bezugsziffer hat.

Im Zusammenhang mit den Rippen gibt es in der Innenwand des Außenkörpers 2 eine ringförmige Kammer 21, welche durch die Durchgänge 22 und 23, welche sich im Körper 2 erstrecken, mit einer Hydraulikeinheit 25 für die Zuführung von unter Druck gesetztem Öl verbunden ist.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, stellen die genannten Rippen und die ringförmige Kammer die Elemente eines doppeltwirkenden Kolbens dar, welcher von der Hydraulikeinheit 25 mittels der Durchgänge 22 und 23 gesteuert wird.

Bezüglich der Rotation der Spindel um die Arbeitsachse Z wird sowohl in der elektromechanischen als auch in der hydraulischen Version der Einheit 1 ein elektrischer Drehmotor des asynchronen Typs verwendet, welcher integral im Inneren vorgesehen ist.

Genauer gesagt ist auf dem zentralen Teil der Spindel 4 ein Rotor 30 angebracht, umgeben von einem Ständer 34 mit der entsprechenden Wicklung aus elektrischen Leitern 32. Die Wicklung ihrerseits ist in einem Gehäuse eingeschlossen, welches gemäß einer bevorzugten Form der Erfindung aus einem Mantel 35 besteht, in welchem ein Kühlfluid fließt.

Die Anordnung, welche aus dem gerade beschriebenen elektrischen Motor und dem entsprechenden Kühlsystem besteht, liegt zwischen der Spindel und der Hülse, und macht mit beiden integral Translationsbewegungen entlang der Arbeitsachse Z als Ergebnis ihrer elektromechanisch oder hydraulisch gesteuerten Bewegungen, abhängig von der Art der Einheit 1.

Die Rotation des elektrischen Motors, welcher die Spindel antreibt, wird von elektronischen Vorrichtungen gesteuert, welche für sich genommen bekannt sind, wie Stromgleichrichter, Frequenzwandler und dergleichen. Im Hinblick auf die Steuerung der Rotation der Spindel sollte jedoch beachtet werden, daß auf dem Hinterende 4b der Spindel in der vorliegenden Erfindung ein Resolver 38 oder eine andere geeignete Einrichtung zur Erfassung der Spindelrotation plaziert ist: diese Positionierung ist besonders vorteilhaft insofern, daß sie es möglich macht genaue Messungen zu erzielen, da diese direkt auf der Spindel durchgeführt werden.

Aus dem, was bislang offenbart wurde, ist es möglich zu verstehen, wie die Betriebseinheit der vorliegenden Erfindung die eingangs gestellte Aufgabe löst.

Als erstes erkennt man, daß ihre Struktur wesentlich vereinfacht wird aufgrund der Anbringung des Motors bzw. zumindest von Teilen davon, wie im Falle des vorangegangenes Rotors 30, direkt auf der Spindel: diese Lösung ermöglicht es irgendwelche mechanische oder andere Art von Getriebe bzw. Übertragung zwischen der Spindel und dem Motor zur Betätigung der Spindel vollständig zu beseitigen.

Folglich werden alle Nachteile der Betriebseinheiten des Standes der Technik, welche sich aus dem Vorhandensein von mechanischen Getrieben zwischen dem Motor und der Spindel ergeben, durch die vorliegende Erfindung überwunden.

In anderen Worten, es ist nicht länger nötig die Zahnriemen und Riemenscheiben vorzusehen, auch nicht die Keilwellenhülle und die passenden Keilnuten der Spindel, welche beim Stand der Technik zu Gesamtabmessungen und Trägheiten führen, die eine negative Wirkung auf die Leistungsfähigkeit der Arbeitseinheit haben und bereits erwähnt wurden.

Dann sollte darauf hingewiesen werden, daß die Länge der Spindel durch die Beseitigung der Keilnuten wesentlich verringert wird. Ferner sollte beachtet werden, daß aufgrund des teleskopischen Gleitens zwischen der Spindel und der Hülse, es in den bekannten Einheiten notwendig ist, einen geeigneten Raum entlang der Achse Z mit einer großen longitudinalen Gesamtabmessung der Einheit vorzusehen, aufgrund ihrer bewegten Teile (der Raum hängt ab von der Summe der Länge der Spindel und der Keilwellenhülle, wenn erstere in der Position maximalen Vorschubs ist).

Folglich, ausgehend von diesem Gesichtspunkt, ist die Betriebseinheit nach der Erfindung im Vergleich zu den gegenwärtig benutzten kompakter, nicht nur weil die Spindel selbst kürzer ist, sondern auch weil ihre Kopplung mit der Hülle beseitigt wurde. Es sollte nicht übersehen werden, daß die Produktionskosten der Spindel auch verringert sind, da neben den verringerten Abmessungen, letztere keine bestimmten Bearbeitungsvorgänge benötigt, wie solche, die zur Herstellung ihre Keilnuten notwendig sind.

Darüber hinaus erlaubt die Tatsache, daß die Spindel nun eine kürzere Länge hat, aufgrund der Beseitigung des entsprechenden Keilwellenteils, auch eine verbesserte Steuerung ihrer Drehung. Wie bereits erwähnt liegt dies an der Möglichkeit der Anbringung einer Vorrichtung zur Erfassung der Spindeldrehung direkt auf der Spindel. Dies wird jedoch auch verwirklicht, da die Torsionsverformungen an den Enden aufgrund der kürzeren Länge der Spindel beschränkter sind, im Falle der gleichen Abmessungen und Betriebsbedingungen bezüglich einer Spindel herkömmlicher Art.

Auch bezüglich der Regelung der Drehgeschwindigkeit der Spindel werden durch die Erfindung bedeutende Vorteile im Vergleich zu dem erzielt, was gewöhnlich geschieht. Tatsächlich erfolgt eine solche Regelung allgemein in Stufen bzw. Schritten und wird erhalten durch Montieren von benachbarten Riemenscheiben unterschiedlichen Durchmessers auf der Keilwellenhülle, welchen Gegenriemenscheiben auf der Ausgangswelle des Motors entsprechen, welcher gewöhnlich mit konstanter Geschwindigkeit läuft. Die Veränderung der Zahl an Drehungen der Keilwellenhülle und daher auch der Spindel, welcher sie ihre Drehbewegung verleiht, geschieht durch Ineingriffbringung eines Paars von Riemenscheiben oder eines anderen, durch manuelles Bewegen des Übertragungsriemens zwischen ihnen.

Neben einer abgestuften Diskontinuität in der Geschwindigkeitsregelung geht hiermit auch eine Unterbrechung im Produktionszyklus einher, da die Übertragung des Riemens von einem Paar von Riemenscheiben auf das andere bei stillstehendem Motor durchgeführt werden muß.

In der Betriebseinheit nach der Erfindung kann die Regelung dagegen allmählich und kontinuierlich durchgeführt werden, einfach durch Steuern des Asynchronmotors: dies ist einfach möglich, mittels von modernen elektronischen Instrumenten, welche nun kostengünstig erhältlich sind.

Weiterhin sollte betont werden, daß die Leistungsfähigkeit der Betriebseinheit nach der Erfindung weiter verbessert wird durch das Vorsehen eines System von Zwangskühlung, da letztere es ermöglicht, die thermische Ausdehnung der verschiedenen Elemente im allgemeinen und der Hülse im besonderen unter Kontrolle zu halten, was sonst das Gleiten der Hülse im Außenkörper beeinträchtigen könnte und die Präzision der Bearbeitungsvorgänge nachteilig beeinflussen könnte.

Varianten der Erfindung bezüglich ihrer zuvor beschriebenen Ausführungen werden natürlich nicht ausgeschlossen.

Als Hinweis kann es in der Tat vorgesehen werden, das System der Axialtranslation der Spindel bezüglich der zuvor beschriebenen elektromechanischen und hydraulischen Versionen zu modifizieren. In anderen Worten, es sollte nicht ausgeschlossen werden, daß zur Bewegung der Spindel entlang der Arbeitsachse Z andere Systeme verwendet werden, welche nicht aus einer Schraube und Mutter bestehen, oder mit einem doppeltwirkenden Kolben arbeiten, wie es beschrieben wurde.

Nach dem gleichen Maßstab gemessen, ist es notwendig darauf hinzuweisen, daß die Art des Motors, welcher verwendet wird, um die Spindel in Drehung zu versetzen, anders sein kann als der hier betrachtete elektrische Asynchronmotor.

Dies bedeutet, daß nicht ausgeschlossen werden soll, daß auf die Betriebseinheit der vorliegenden Erfindung eine andere Art von elektrischem Motor mit Wechselstrom (z. B. synchron, mit oder ohne Bürsten) gesetzt wird, oder ein Motor, dem Gleichstrom zugeführt wird, vorausgesetzt natürlich, daß die oben beschriebenen Wirkungen erzielt werden. Diese und andere Varianten der Erfindung fallen jedoch unter den Umfang der folgenden Ansprüche.

Claims (7)

1. Arbeitseinheit für eine Werkzeugmaschine, umfassend einen Außenkörper (2), eine Hülse (3), welche in dem Körper untergebracht ist und in der Lage ist bezüglich zu ihm entlang einer Arbeitsachse (Z) der Einheit zu gleiten, Mittel (6-13; 20-23, 25) für die Translationsbewegung der Hülse entlang der Achse, eine Spindel (4), welche drehbar in der Hülse getragen wird, eine Antriebseinrichtung (30, 32, 34) für die Rotation der Spindel, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung in der Hülse untergebracht ist und auf die Spindel an einer Position wirkt, welche zwischen ihrem Vorderende (4a) und ihrem Hinterende (4b) liegt.

2. Arbeitseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (30, 32, 34) der Spindel (4) einen elektrischen Motor des Drehtyps umfaßt, mit einem Rotor (30), der fest mit der Spindel dreht, und einem Ständer (32, 34), welcher integral mit der Hülse (3) ist.

3. Arbeitseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Motor von asynchroner Art ist, und der Rotor (30) koaxial auf der Spindel montiert ist und von dem Ständer (32, 34) umgeben wird.

4. Arbeitseinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Fluidzirkulationssystem (35) zur Kühlung der Antriebseinrichtung (30, 32, 34) der Spindel (4)

5. Arbeitseinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlsystem einen Mantel (35) umfaßt, welcher intern der Hülse (3) gegenüber steht, in welchem das Kühlfluid zirkuliert, unter Berührung der inneren Oberfläche der Hülse.

6. Arbeitseinheit nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Hinterende (4b) der Spindel eine Vorrichtung (38) in Beziehung gebracht ist, zur Erfassung der Spindeldrehung.

7. Arbeitseinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (38) ein Resolver oder Kodierer ist.