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Die
Erfindung betrifft eine Arbeitseinheit für Werkzeugmaschinen mit den
Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1.
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Solche
automatischen Werkzeugmaschinen, welche, einen Drehtisch aufweisend,
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.
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Die
zuvor genannten Stationen umfassen jede mindestens eine Arbeitseinheit
und auf letztere bezieht sich die vorliegende Erfindung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Tatsächlich ist
der Motor in bekannten Arbeitseinheiten 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.
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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.
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Ein
weiteres Beispiel einer derartigen Arbeitseinheit ist in der
US 4,958,967 beschrieben.
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Darüber hinaus
ist in der
DE 38 34
140 A1 eine Hochfrequenzspindel zur Werkstückbearbeitung offenbart,
in der einer Arbeitsspindel ein gesonderter Stellantrieb zur Längsverstellung
gegenüber
einem Spindelgehäuse
zugeordnet ist.
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Im
Lichte des Erklärten
ist es möglich
zu verstehen, daß ein
solcher Entwurf einer Arbeitseinheit, 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.
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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 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.
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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.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Arbeitseinheit mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch
1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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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:
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1 eine
Ansicht in partiellem Längsschnitt einer
Arbeitseinheit nach der Erfindung ist; und
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2 eine
Ansicht in partiellem Längsschnitt einer
Variante der Arbeitseinheit in 1 ist.
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In
den Zeichnungen bezeichnet die Bezugsziffer 1 die Arbeitseinheit
der Erfindung als ganzes, welche elektromechanisch sein kann wie
in 1, oder hydraulisch wie in 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.
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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.
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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.
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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 1).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Wie
aus 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aus
dem, was bislang offenbart wurde, ist es möglich zu verstehen, wie die
Betriebseinheit der vorliegenden Erfindung die eingangs gestellte
Aufgabe löst.
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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.
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Übertragung
zwischen der Spindel und dem Motor zur Betätigung der Spindel vollständig zu
beseitigen.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Varianten
der Erfindung bezüglich
ihrer zuvor beschriebenen Ausführungen
werden natürlich
nicht ausgeschlossen.
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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.
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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.
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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.