DE29623999U1

DE29623999U1 - Direkt angetriebener, mehrachsiger Drehspindelkopf für Fräsmaschinen

Info

Publication number: DE29623999U1
Application number: DE29623999U
Authority: DE
Original assignee: BERTSCHE ENGINEERING CORP
Current assignee: Klaus-Dieter Klement Verwaltungs De GmbH
Priority date: 1995-06-13
Filing date: 1996-06-13
Publication date: 2001-03-08
Anticipated expiration: 2006-06-14

Description

Andrejewski, Honke & Sozien Patentanwälte

European Patent Attorneys European Trademark Attorneys

Diplom-Physiker Dr. Walter Andrejewski (-1996) Diplom-lngenieur Dr.-lng. Manfred Honke Diplom-Physiker Dr. Karl Gerhard Masch Diplom-lngenieur Dr.-lng. Rainer Albrecht Diplom-Physiker Dr. Jörg Nunnenkamp Diplom-Chemiker Dr. Michael Rohmann Anwaltsakte:

92 812/Ja/Al D 45127 Essen, Theaterplatz 3 D 45002 Essen, P.O. Box IO 02 54

9. November 2000

Gebrauchsmus t eranme1dung BERTSCHE ENGINEERING CORP. 711 Darmouth Drive Buffalo Grove USA - Illinois 60089

Direkt angetriebener, mehrachsiger Drehspindelkopf

für Fräsmaschinen

Abzweigung aus EP 96 919 437.2 (0 885 081)

Andrejewski, Honke & Sozien, Patentanwälte in Essen

Beschreibung:
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine, insbesondere einen getriebelosen Arbeitsspindelkopf für eine Fräsmaschine, die mit Motoren ausgestattet ist, die mit der Spindel und dem Spindelkopf einer solchen Maschine zum direkten Antrieb und zur Steuerung der Drehung einer solchen Spindel und eines solchen Spindelkopfes um mehrere Achsen gekuppelt sind.

Hintergrund der Erfindung

Bei herkömmlichen mehrfunktioneilen Werkzeugmaschinen, z. B. mehrfunktioneilen Fräsmaschinen, ist die mehrachsige Bewegung und Drehung der Frässpindel und des Spindelkopfes durch entfernt angeordnete Motoren gesteuert, die Synchronriemen, Schneckenantriebe und Räder, Kegelgetriebe und Stirnrädergetriebe oder Kegelgetriebe, die funktionell mit der Spindel und dem Spindelkopf zur Rotation der Spindel und des Spindelkopfes um mehrere Achsen gekuppelt sind, einzeln oder in Kombination verwenden.

Seit dem Aufkommen der Linearmotortechnik und ihrer Anwendung au'f Werkzeugmaschinen werden lineare Achsen schneller angetrieben, da die Schnittgeschwindigkeiten steigen. Insbesondere in der Luft- und RaumfahrtIndustrie erfordert das Fräsen komplexer Oberflächen, dass das Werkzeug bzgl. der 0 zu bearbeitenden Oberfläche in einem bestimmten Winkel gehalten wird. Da sich die lineare Achse oder Kontur der

Andrejewski, Honke & Sozien, Patentanwälte in Essen

maschinell bearbeiteten Oberfläche abrupt ändert, ist eine Korrekturbewegung der Drehachse unter Beibehaltung der erforderlichen Winkelbeziehung zwischen Werkzeug und bearbeiteter Oberfläche erforderlich. Wenn beispielsweise ein kastenförmiger Hohlraum mit einem Seitenwandneigungswinkel von 15° maschinell hergestellt wird, muss der Kippwinkel des Werkzeuges an jedem Viertelkreispunkt um 90° gedreht werden. Zur Vermeidung einer Verlangsamung des Fräsvorganges muss sich der Spindelkopf bei 90° mit sehr hoher Beschleunigung um die Ecke bewegen. Dies ist mit einem Getriebespindelkopf schwer zu erreichen.

Somit besteht ein Bedarf für einen Arbeitsspindelkopf, der mit hohen Geschwindigkeiten als Reaktion auf abrupte und kontinuierliche Änderungen in der Kontur einer zu bearbeitenden Oberfläche gedreht werden kann, so dass die erforderliche Winkelbeziehung zwischen Spindelkopf und einer solchen Oberfläche beibehalten wird.

0 Zusammenfassung der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist ein getriebeloser, direkt angetriebener Drehkopf für eine Werkzeugmaschinenspindel mit einem kardanischen Aufbau, an dem eine Spindel zur 5 Rotation um mehrere Achsen angeordnet ist, und mit einer Anordnung von Motoren, die mit dem Kardanaufbau und der Spindel zum direkten Antrieb und zur Steuerung der Drehung des Kardanaufbaus und der Spindel um die Achsen gekuppelt sind.

• · &ogr;

Andrejewski, Honke & Sozien, Patentanwälte in Essen

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Kardanaufbau eine um eine erste Achse drehbar angeordnete Gabel, die ein Paar voneinander beabstandeter Gabelarme aufweist, eine um eine zweite Achse drehbare, zwischen den Gabelarmen angeordnete Spindel, einen ersten, an die Gabel gekuppelten Motor zum direkten Antrieb und zur Steuerung der Gabeldrehung um die erste Achse und einen zweiten, an die Spindel gekuppelten Motor zum direkten Antrieb und zur Steuerung der Spindeldrehung um die zweite Achse.

Die Gabel ist an einem Tragarm befestigt, der eine drehbare Hülse aufweist, die zu der ersten Achse konzentrisch ist und mit der Gabel zur Drehung funktionell gekuppelt ist. Der Tragarm umfasst weiterhin ein Gehäuse für den Motor.

Der Motor besteht aus einen Servomotor, der in dem Gehäuse angeordnet ist und die Hülse konzentrisch zu der ersten Achse umgibt. Der Motor weist einen Rotor auf, der um die erste Achse drehbar und zu dieser konzentrisch ist und mit der Hülse zum direkten Antrieb und zur Steuerung der Drehung der Hülse um die erste Achse gekuppelt ist.

Erfindungsgemäß umfasst jeder der Gabelarm ein Gehäuse, in dem ein zweiter Motor angeordnet ist. Diese Motoren, ebenfalls Servomotoren, sind in den Gabelarm-Gehäusen konzentrisch zu der zweiten Achse angeordnet. Jeder der zweiten Motoren umfasst einen Rotor, der um die zweite Achse drehbar und konzentrisch zu dieser ist. Jeder der Rotoren ist mit gegenüberliegenden Seiten der Spindel jeweils zum direkten Antrieb bzw. zur Steuerung der Spindeldrehung um die zweite Achse gekuppelt.

9 · · ■

Andrejewski, Honke & Sozien, Patentanwälte in Essen

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Kardanaufbau weiterhin ein Spindelgehäuse, in dem die Spindel drehbar um eine dritte Achse angeordnet ist, und einen dritten Motor, der mit der Spindel zum direkten Antrieb und zur Steuerung der Rotation der Spindel um die dritte Achse gekuppelt ist.

Die Direktantriebe ersetzen die herkömmlichen Getriebe und Synchronriemen, die mit der Spindel und dem Spindelkopf zur Steuerung der Drehung der Spindel und des Spindelkopfes gekuppelt waren. Durch die direkt angekuppelten Motoren lässt sich die Spindel mit hohen Geschwindigkeiten als Reaktion auf abrupte und kontinuierliche Änderungen in der Kontur der Oberfläche, die maschinell bearbeitet wird, drehen, so dass die gewünschte Winkelbeziehung zwischen Spindelkopf und einer solchen Oberfläche beibehalten wird.

Ein weiterer Vorteil ist die durch den Fortfall der Getriebe erzielte Werkzeug-Steifigkeit. Noch ein weiterer 0 Vorteil ist das Wegfallen des Energieverlustes, der auftritt, wenn Energie über Getriebe übertragen wird.

Zahlreiche weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung und den anliegenden Zeichnungen verständlich.

Andrejewski, Honke & Sozien, Patentanwälte in Essen

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Spindelkopfes für eine Fräsmaschine,

Figur 2 eine perspektivische Darstellung des Spindelkopfes aus Figur 1 mit einem länglichen Tragarm zwischen oberem Motoraufbau und Gabel,

Figur 3 eine teilweise aufgebrochene vertikale Querschnittsansicht des Tragarms und des oberen Motoraufbaus des Spindelkopfes entlang der Ebene 3-3 von Figur 2,

Figur 4 eine teilweise aufgebrochene vertikale Querschnittsansicht von Gabel- und Spindelaufbau des Spindelkopfes entlang der Ebene 4-4 von Figur 2,
20

Figur 5 eine Draufsicht auf den Spindelkopf von Figur 2,

Figur 6 eine perspektivische Ansicht der Gabel des Spindelkopf es von Figur 2,
25

Figur 7 eine teilweise geöffnete perspektivische Ansicht des Spindelgehäuses des Spindelkopfes von Figur 2 und

Andrejewski, Honke & Sozien, Patentanwälte in Essen

Figur 8 eine vereinfachte perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spindelkopfes.

Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen

Die hier offenbarte Erfindung gestattet- natürlich viele unterschiedliche Ausführungsformen. Gezeigt in den Zeichnungen und im Nachfolgenden ausführlich beschrieben sind die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung. Selbstverständlich ist die vorliegende Offenbarung nur ein Beispiel für die Prinzipien der Erfindung und schränkt die Erfindung nicht auf die erläuterten Ausführungsformen ein.

Zur einfacheren Beschreibung ist der erfindungsgemäße Spindelkopf hier in seiner üblichen zusammengebauten Position, wie in den beigefügten Zeichnungen beschrieben, gezeigt, und die Begriffe wie oben, unten, horizontal etc. werden hier unter Bezugnahme auf diese übliche Position verwendet.

Einige der Figuren, die den erfindungsgemäßen Spindelkopf erläutern, zeigen strukturelle Details und mechanische Elemente, die einem Fachmann bekannt sind. Die ausführliche Beschreibung solcher Elemente ist allerdings zum Verständnis der Erfindung nicht notwendig und ist demnach hier nicht angegeben.

Zusätzlich wird der erfindungsgemäße Spindelkopf mit 0 bestimmten herkömmlichen Bauteilen eingesetzt, deren Details, obwohl nicht vollständig erläutert oder beschrie-

Andrejewski, Honke & Sozien, Patentanwälte in Essen

ben, für den Fachmann, der die notwendigen Funktionen solcher Bauteile versteht, klar sind.

Unter Bezugnahme auf Figur 1 wird ein erfindungsgemäßer getriebeloser, direkt angetriebener Mehrachsen-Drehspindelkopf 10 beschrieben. Der Kopf 10 hat einen Kardanaufbau 12, der die Drehung einer darauf montierten Spindelanordnung 22 um mehrere Achsen, wie nachstehend beschrieben, gestattet. Der Kardanaufbau 12 umfasst eine Gabel 14, die an einer mehrfunktionellen Werkzeugmaschine, z. B. einer Fräsmaschine (nicht gezeigt) oder dergleichen, zur Drehung um eine erste vertikale Achse C, die zentral und in Längsrichtung durch die Gabel 14 verläuft, befestigt ist. Die Gabel 14 weist eine obere horizontale Basisfläche 16 und zwei beabstandete längliche Gabelarme 18 und 20 auf, die sich von der Unterseite der Basisfläche 16 und als eine Einheit hiermit vertikal senkrecht nach unten erstrecken. Die Spindelanordnung 22 ist zwischen den Gabelarmen 18 und 2 0 drehbar um eine zweite horizontale Achse A, die hori-0 zontal durch die Gabelarme 18 und 2 0 verläuft, angeordnet.

Sie umfasst eine längliche, in einem Spindelgehäuse 26 (Figur 7) angeordnete Spindel 24. Ein Motor (nicht gezeigt) in Spindel 24 arbeitet auf bekannte Weise unter Drehung eines Fräs- oder Schneidwerkzeuges 28, das auf einem Werkzeughalter (nicht gezeigt) gehalten wird, der in dem distalen Ende der Spindel 24 befestigt ist.

Erfindungsgemäß ist eine Motoreinrichtung 3 0 an der oberen Basis 16 der Gabel 14 zum direkten Antrieb und zur 0 Steuerung der Drehung der Gabel 14 um die vertikale Achse C vorgesehen. Eine weiterer Motoreinrichtung 90 (Figur 4) ist

Andrejewski, Honke & Sozien, Patentanwälte in Essen

im Inneren der Gabelarme 18 und 2 0 angeordnet und an die Spindelanordnung 22 zum direkten Antrieb und zur direkten Steuerung der Drehung der Spindelanordnung 22 um die horizontale Achse A gekuppelt. Das direkte Kuppeln, im Gegensatz zum ferngesteuerten Kuppeln, der Motoreinrichtungen 30 und 90 mit Gabel 14 bzw. der Spindelanordnung 22 beseitigt das Erfordernis, Getriebe zum Antrieb und zur Steuerung der Drehung von Gabel 14 und Spinde!anordnung 22, wie derzeit in Spindelköpfen verwendet, einzusetzen.

Figur 2 beschreibt den Spindelkopf 10 von Figur 1, der zusätzlich einen vertikal verlaufenden länglichen zylindrischen Tragarm 32 aufweist, der zwischen der Motoreinrichtung 3 0 und der Gabel 14 angeordnet ist und eine zur Achse C konzentrische Längsachse aufweist.

Wie in Figur 3 gezeigt, umfasst der Tragarm 32 eine längliche zylindrische Hülse 34, eine längliche drehbare zylindrische Innenhülse 36 und eine längliche zylindrische 0 Patrone 38, die zwischen der Außenhülse 34 und der Innenhülse 36 angeordnet ist. Jede der Hülsen 34, 36 und die Patrone 3 8 besitzen Längsachsen, die zur vertikalen Achse C konzentrisch sind. Die Innenhülse 36 weist zylindrische Innen- und Außenflächen 3 7 und 3 9 auf und ist zur Drehung um die Achse C durch Lageranordnungen 40 gelagert, welche die Wälzkörper 41 und Wälzlagerringe 42 aufweisen. Die Wälzlagerringe 42 sind an der Hülse 36 und der Patrone 38 fest angeordnet.

Wie in Figur 4 gezeigt, weist die Hülse 36 ein unteres ringförmiges Umfangsende 44 auf, das mit der oberen Basis

Andrejewski, Honke & Sozien, Patentanwälte in Essen

16 der Gabel 14 gekuppelt und an dieser durch eine Vielzahl von Befestigungselementen 46 befestigt ist, die sich um den Umfang und zwischen dem Ende 44 und der Basis 16 erstrecken. Unter Bezugnahme auf Figur 3 ist die Motoreinrichtung 30 mit dem oberen Teil der Hülse 36 zum direkten Antrieb und zur direkten Steuerung der Drehung der Hülse 3 6 um die Achse C funktionell gekuppelt, und somit ist die Drehung von Gabel 14 funktionell damit gekuppelt.

Wie in den Figuren 2, 3 und 5 gezeigt, umfasst der Tragarm 32 ein Gehäuse 48 für die Motoreinrichtung 30. Das Gehäuse 4 8 besteht aus einem zylindrisch geformten Außenmantel 50, der um den Teil der Hülse 3 6 und um den oberen und unteren Teil der ringförmigen, um den Umfang verlaufenden Endplatten 52 und 54, die mit den Schrauben 56 an den gegenüberliegenden Endflächen des Mantels 50 befestigt sind, verläuft und davon beabstandet ist. Die Hülse 36 ist durch eine Lageranordnung 60 drehbar um das Gehäuse 48 gelagert. Die Lageranordnung 60 weist Kugellager 61 und Lagerringe 62 auf. Die Lagerringe sind an der Hülse 36 und an der Umfangsinnenfläche 64 der Endplatte 54 befestigt.

Erfindungsgemäß weist die Motoreinrichtung 3 0 einen ständerfreien Servomotor 31 mit hohem Drehmoment auf, der die Hülse 3 6 konzentrisch zur Achse C umgibt und im Gehäuseinneren 48 und insbesondere innerhalb des Mantels 50 angeordnet ist. Der Motor 31 kann beispielsweise ein ständerfreier Servomotor mit hohem Drehmoment der Firma Inland Motor Corporation sein. Zum Aufbau dieses Servo-0 motors gehören neben anderen bekannten Bauteilen ein Stator 66, eine innerhalb des Stators angeordnete drehbare

• ·

Andrejewski, Honke & Sozien, Patentanwälte in Essen

Halterung 68, ein daran befestigter Rotor 70, der zwischen der Halterung 68 und dem Stator 66 liegt, und eine Muffenklemme 69. Die Muffenklemme 69 ist im Inneren der Halterung 68 angeordnet. Sie ist funktionell gekuppelt mit der inneren Hülse 36 und grenzt an diese sowie an Rotoren 72 und 74 an, die im Inneren des Stators 66 und insbesondere im Inneren der Hülse 36 liegen. Einen Antriebsschleifring 71, der an den Rotor 74 angrenzt und im Inneren der Hülse 36 angeordnet ist, ist mittels Befestigungselementen, wie den Schrauben 82, mit der Hülse 3 6 gekuppelt. Die Rotoren 72 und 74 sind um die Achse C drehbar und zu ihr konzentrisch.

Rotor 72 umfasst zusätzlich eine Außenfläche 76, die an die Innenfläche 34 der Hülse 3 6 angrenzt, und ein Ende mit einer radial nach außen um den Umfang verlaufenden ringförmigen Schulter 78, die auf der Endfläche 48 der Hülse 36 aufsitzt und mit ihr gekuppelt ist. Eine Vielzahl von Befestigungselementen, wie die Schrauben 80, verlaufen durch und zwischen Schulter 78 und Endfläche 48 zur Kupplung und Befestigung von Rotor 72 an der Hülse 36 und zum direkten Antrieb und zur direkten Steuerung der Drehung von Hülse 36 um die Achse C.

Während des Betriebs aktiviert eine numerische Steuerung (nicht gezeigt) der Fräsmaschine den Motor 31 und bewirkt die Drehung von Hülse 36 und somit der Gabel 14. Außerdem wird während des Betriebs die Position und Geschwindigkeit des Rotors 72 und der Hülse 3 6 erfasst und über einen 0 Winkelcodierer 84 aufgezeichnet, der in dem Gehäuse 4 8 angeordnet und mit dem Rotor 72 und der numerischen

Andrejewski, Honke & Sozien, Patentanwälte in Essen

Steuerung der Maschine funktionell gekoppelt ist. Die Muffenklemme 69 wird verwendet, um die Innenhülse 36 in einer Position festzusetzen, nachdem die Hülse 36 um einen gewünschten Betrag unter Drehung der Gabel 14 gedreht worden ist.

Unter Bezugnahme auf Figur 4 umfasst die Motoreinrichtung 90 Motoren 92 bzw. 94, die in den Gabelarmen 18, 20 konzentrisch zur horizontalen Achse A angeordnet sind. Die Motoren 92 und 94 sind zum direkten Antrieb und zur Steuerung der Drehung der Spindelanordnung 22 um die Achse A mit den gegenüberliegenden Seiten der Spindelanordnung 22 gekuppelt.

Obwohl in Figur 4 nicht gezeigt, ist es selbstverständlich, dass die Motoreinrichtung 90 alternativ nur einen der Motoren 92 und 94 umfassen könnte, der in einem Gabelarm 18, 2 0 angeordnet ist und zum direkten Antrieb und zur Steuerung der Drehung der Spindelanordnung 22 um die Achse A mit einer der Seiten der Spindel anordnung 22 gekuppelt ist. Außerdem könnte die Motoreinrichtung 90 auch alternativ einen der Motoren 92, 94 umfassen, der in eine erste und zweite Hälfte aufgespalten ist, die in den Gabelarmen 18 bzw. 20 befestigt und mit den gegenüberliegenden Seiten 5 der Spindelanordnung 22 gekuppelt sind.

Wie in den Figuren 4 und 6 gezeigt, werden die Motoren 92 und 94 von den zylindrischen Elementen 96, 98 in den Gabelarmen 18, 2 0 aufgenommen. Jedes der zylindrischen Elemente 96 bzw. 98 umfasst innere und äußere Endflächen 99, 100 und

• ·

Andrejewski, Honke & Sozien, Patentanwälte in Essen

dazwischen eine innere zylindrische Fläche 101, die ein Gehäuse für die Motoren 92, 94 definieren.

Die zylindrische Innenfläche 101 weist die zylindrischen Abschnitte 102, 104, 106 und 108 auf. Die Abschnitte 102 und 104 sind von einander durch eine Wand getrennt, die zwischen den Abschnitten 102 und 104 um den Umfang radial nach innen verläuft und eine Schulter 110 definiert. Die Abschnitte 104 und 106 sind von einander durch eine Wand getrennt, die zwischen den Abschnitten 104 und 105 um den Umfang radial nach innen verläuft und eine Schulter 114 definiert. Die Abschnitte 106 und 109 sind von einander durch eine Wand getrennt, die zwischen den Abschnitte 106 und 108 um den Umfang nach innen verläuft und eine Schulter 118 definiert.

Jeder der Motoren 92 und 94 kann auch ein ständerloser Servomotor mit hohem Drehmoment der Firma Inland Motor Corporation sein, der neben anderen bekannten Elementen, einen Stator 120, einen Wellenmotor 122, der im Inneren des Stators 12 0 liegt, eine Muffenklemme 124, die im Inneren des Wellenmotors 122 liegt und an ihn angrenzt, einen Dreh-Rotor 126, der im Inneren der Muffenklemme 124 liegt und an sie angrenzt, und einen stationären Rotor 128, der im Inne-5 ren des Dreh-Rotors 12 6 liegt und an ihn angrenzt, umfassen.

Erfindungsgemäß ist der Rotor 12 6 in jedem der Motoren 92 und 94 zur Rotation konzentrisch zu der horizontalen Achse 0 A befestigt und umfasst eine radial nach innen verlaufende ringförmige Wand 13 0 mit einem Hals 132, der sich axial

Andrejewski, Honke & Sozien, Patentanwälte in Essen

nach außen erstreckt und damit eine Einheit bildet. Die Wand 13 0 des Rotors 126 von Motor 92 verläuft nur teilweise radial nach innen, während die Wand 130 des Rotors 126 von Motor 94 vollständig radial nach innen verläuft, damit sich hiermit eine Codiererwelle 148 koppeln lässt. Die Motoren 92 und 94 sind so in den Elementen 96 bzw. 98 angeordnet, dass die Teile der Motoren an die zylindrische Innenfläche 101 und die Schultern 110 und 114 hiervon angrenzen und insbesondere so, dass der Stator 120 hiervon an Teil 102 und Schulter 110 der zylindrischen Fläche 101 angrenzt. Außerdem sind die Motoren 92 bzw. 94 in den Elementen 96 bzw. 98 durch Befestigungselemente, wie Schrauben 113, befestigt, die zwischen den Motorauflagen 111 an den Motoren 92 bzw. 94 und der Schulter 114 der Elemente 96 bzw. 98 verlaufen.

Die Rotoren 126 der Motoren 92 und 94 sind mit den gegenüberliegenden Seiten des Spindelaufbau 22 und insbesondere mit dem Spindelgehäuse 26, wie nachstehend beschrieben, zum 0 direkten Antrieb und zur direkten Steuerung der Drehung des Spindelaufbaus 22 und der Spindel 24 um Achse A gekoppelt.

Wie in den Figuren 4 und 7 gezeigt, umfasst das Spindelgehäuse 26 eine zylindrische Innenfläche 133, die ein Gehäuse für die Spindel 24 definiert, und eine zylindrische Außenfläche 134 mit einem Paar von diametral entgegengesetzten rechteckig geformten Rotor-Montageblöcken 136 und 138, die darauf als Einheit damit ausgebildet sind. Jeder der Blöcke 136 und 138 besitzt eine flache Außenfläche 140 und eine zylindrische Öffnung 142 darin, die konzentrisch mit der Achse A ausgerichtet ist und sich zwischen der Außenfläche

Andrejewski, Honke & Sozien, Patentanwälte in Essen

140 der Blöcke 136 und 138 und der Innenfläche 133 des Spindelgehäuses 26 erstreckt. Der Spindelaufbau 22 zwischen den Gabelarmen 18 und 2 0 ist so angeordnet und damit gekoppelt, dass die Blöcke 136 bzw. 138 mit den Elementen 96 bzw. 98 ausgerichtet sind, und insbesondere so, dass die Außenfläche 14 0 der Blöcke 13 6 und 13 8 an die Innenfläche 99 bzw. die Schulter 118 der Elemente 96 bzw. 98 angrenzt.

Erfindungsgemäß ist der Rotor 12 6 eines jeden Motors 92 bzw. 94 direkt mit den Blöcken 13 6 bzw. 13 8 gekoppelt, so dass die ringförmige Endwand 13 0 des Rotors 12 6 an die Außenfläche 140 der Blöcke 136 bzw. 138 angrenzt, und der Hals 132 auf dem Rotor 126 in die Öffnung 142 in den Blöcken 13 6 bzw. 13 8 zum direkten Antrieb und zur direkten Steuerung der Drehung des Spindelaufbaus 22 um Achse A eingepasst ist. Der Rotor 126 der Motoren 92, 94 ist fest mit den Blöcken 136 bzw. 138 mit Befestigungselementen wie Schrauben 144 verschraubt, die zwischen der ringförmigen Endwand 13 0 des Rotors 12 6 und den Blöcken 13 6 bzw. 13 8 0 verlaufen.

Während des Betriebs, beispielsweise mit Motor 31, aktiviert eine numerische Steuerung der Fräsmaschine (nicht gezeigt) die Motoren 92 und 94 und bewirkt die Drehung des 5 Rotors 12 6 in jedem der Motoren und somit die Drehung des Spindeläufbaus 22, der direkt damit gekoppelt ist. Außerdem wird während des Betriebs die Position und Geschwindigkeit der Rotoren 12 6 nachgewiesen und über einen Winkelcodierer 148 und eine Codiererwelle 146, die an dem Hohlelement 98 des Gabelarms 20 befestigt sind, aufgezeichnet. Die Codiererwelle 146 verläuft zwischen dem Codierer 148 und

Andrejewski, Honke & Sozien, Patentanwälte in Essen

der Rückseite der ringförmigen Endwand 13 0 von Rotor 12 6 des Motors 94, um den Codierer 146 mit der Drehposition des Rotors 126 zu versehen. Die Muffenklemme 124 wird verwendet, um den Rotor 126 der Motoren 92 und 94 in Position festzusetzen, nachdem der Rotor 126 um einen gewünschten Betrag unter Drehung des Spindelaufbaus 22 um einen gewünschten Betrag gedreht worden ist.

Die Erfindung umfasst nicht nur die Verwendung von Motoren zum direkten Antrieb und zur direkten Steuerung der Drehung einer Spindel und eines Spindelkopfes um zwei Achsen (Figuren 1 und 2) sondern auch die Verwendung von Motoren zum direkten Antrieb und zur Steuerung der Drehung einer Spindel und eines Spindelkopfes um zusätzliche Achsen, wie die Achse D, die in der Spindelkopf aus führung von Figur 8 dargestellt ist.

Figur 8 beschreibt eine alternative vereinfachte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen getriebelosen Mehrachsen-Direktantrieb-Drehkopfes 200. Der Kopf 200 unterscheidet sich von Kopf 10 insofern, dass er einen Kardanaufbau 212 umfasst, der zur Drehung einer Spindelanordnung 222 um drei verschiedene, orthogonale Achsen A, C und D (statt nur um die Achsen A und C der zuvor beschriebenen Kardananordnung 5 12 des Kopfes 10) ausgelegt ist. Die Drehung der Spindel 224 um die Achse D wird bereitgestellt durch Anordnung der Spindel 224 in einem Spindelgehäuse 22 6, das einen Hohlraum 227 aufweist, in dem eine seitlich Bewegung der Spindel 224 möglich ist. Ein Motor 260 ist an der Seite des Spindelgehäuses 226 angeordnet und mit der Spindel 224 zum direkten Antrieb und zur direkten Steuerung der Drehung der

Andrejewski, Honke & Sozien, Patentanwälte in Essen

Spindel 224 um die Achse D gekoppelt. Die Motoren 231, 2 92 und 294 arbeiten ebenfalls auf die gleiche Weise wie die Motoren 31, 92 bzw. 94 unter direktem Antrieb und unter direkter Kontrolle der Drehung der Gabel 214 und der Spindel 224 jeweils um die Achsen A bzw. C.

Erfindungsgemäß gestattet die Verwendung der Motoren, die direkt mit der Spindel und dem Spindelkopf gekoppelt sind, als Reaktion auf abrupte und kontinuierliche Änderungen in der Kontur einer zu bearbeitenden Oberfläche, die Drehung der Spindel und des Spindelkopfes zweckmäßigerweise mit hohen Geschwindigkeiten, da direkt montierte Motoren eine schnelle Beschleunigung und Abbremsung der Spindel ermöglichen, so dass die erforderliche Winkelbeziehung zwischen Spindelkopf und maschinell zu bearbeitender Oberfläche beibehalten wird.

Außerdem ist die Verwendung von Motoren anstelle von Getrieben praktisch, vermindert die Komplexität des Spindelkopfes, stellt einen Spindelkopf mit hoher mechanischer Steifigkeit bereit und beseitigt den bei Übertragung von Energie über Getriebe auftretenden Energieverlust.

Schließlich ist es selbstverständlich, dass zahlreiche Variationen und Modifikationen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ohne Abweichung der erfindungsgemäßen Lehre durchgeführt werden können. Es ist selbstverständlich, dass bezüglich der speziellen hier erläuterten Vorrichtung keine Einschränkung beabsichtigt oder vorgenommen werden sollte. Natürlich ist es beabsichtigt, durch die

Andrejewski, Honke & Sozien, Patentanwälte in Essen

17

beigefügten Ansprüche sämtliche Modifikationen, wie sie in den Umfang der Ansprüche fallen, abzudecken.

Claims

1. Getriebeloser, direkt angetriebener Mehrachsen- Drehkopf für eine Werkzeugmaschinenspindel mit
einer um eine erste Achse drehbar angeordneten Gabel, die ein Paar voneinander beabstandeter Gabelarme aufweist,
einer um eine zweite Achse drehbaren, zwischen den Gabelarmen angeordneten Spindel,
einer ersten, an die Gabel gekuppelten Motoreinrichtung zum direkten Antrieb und zur Steuerung der Gabeldrehung um die erste Achse und
einer zweiten, an die Spindel gekuppelten Motoreinrichtung zum direkten Antrieb und zur Steuerung der Spindeldrehung um die zweite Achse.

2. Drehkopf nach Anspruch 1 mit einem Tragarm, an dem die Gabel befestigt ist, wobei der Tragarm eine konzentrisch zur ersten Achse drehbar angeordnete Hülse aufweist, die mit der Gabel verbunden ist und mit dieser rotiert, wobei der Tragarm ein Gehäuse für die erste Motoreinrichtung aufweist und wobei die erste Motoreinrichtung zum Antrieb der Hülse und zur Steuerung der Hülsendrehung betriebsmäßig mit der Hülse verbunden ist.

3. Drehkopf nach Anspruch 2, wobei die erste Motoreinrichtung einen Servomotor aufweist, der in dem Gehäuse angeordnet ist und die Hülse konzentrisch zu der ersten Achse umgibt, wobei der Servomotor einen um die erste Achse drehbaren und zu ihr konzentrisch angeordneten Rotor aufweist, der mit der Hülse zum direkten Antrieb und zur Steuerung der Hülsendrehung um die erste Achse gekuppelt ist.

4. Drehkopf nach Anspruch 3 mit gegenüberliegenden ringförmigen Umfangsendflächen der Hülse, wobei der Rotor ein Ende mit einer radial nach außen verlaufenden Schulter aufweist, wobei der Rotor an die Hülse angrenzt und die Schulter auf einer der Endflächen der Hülse aufsitzt und damit zum direkten Antrieb und zur direkten Kontrolle der Rotation der Hülse gekuppelt ist.

5. Drehkopf nach Anspruch 4 mit einer Vielzahl von Befestigungselementen, die durch und zwischen der Schulter und einer der Endflächen zum Kuppeln und zum Befestigen des Rotors mit der Hülse verlaufen.

6. Drehkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei jeder Gabelarm einen Gabelarm-Gehäuse aufweist, in dem die zweite Motoreinrichtung angeordnet ist.

7. Drehkopf nach Anspruch 6, wobei die zweite Motoreinrichtung ein Paar Servomotoren aufweist, die konzentrisch zu der zweiten Achse, jeweils einer in jedem Gabelarm-Gehäuse, angeordnet sind, wobei die Motoren einen Rotor aufweisen, der um die zweite Achse drehbar und zu ihr konzentrisch ist, wobei jeder der Rotoren direkt mit den gegenüberliegenden Seiten der Spindel zum Antrieb und zur Steuerung der Spindeldrehung um die zweite Achse gekuppelt ist.

8. Drehkopf nach Anspruch 7, wobei die Spindel in einem Spindelgehäuse angeordnet ist, das eine Außenfläche mit einem Paar diametral entgegengesetzten Blockeinheiten aufweist, wobei die Außenfläche mit dem Gehäuse in den Gabelarmen ausgerichtet ist, wobei der Rotor des Motors zum Antreiben und zur Steuerung der Drehung der Spindel um die zweite Achse direkt mit den Blöcken gekuppelt ist.

9. Drehkopf nach Anspruch 1, wobei die Rotoren jeweils einen radial nach innen gerichtete ringförmige Endwand mit einem Hals aufweist, der axial nach außen verläuft und mit der Endwand eine Einheit bildet, wobei jeder der Blöcke eine Außenfläche und eine Öffnung aufweist, die sich in der Außenfläche hiervon zentral um die zweite Achse erstreckt, wobei die ringförmige Endwand des Rotors an die Außenfläche der Blöcke angrenzt und der Hals auf dem Rotor in die Öffnung in den Blöcken zum Kuppeln des Rotors mit der Spindel zum direkten Antrieb und zur direkten Kontrolle der Drehung der Spindel um die zweite Achse eingepasst ist.

10. Drehkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die erste Achse orthogonal zur zweiten Achse ausgerichtet ist.

11. Getriebeloser, direkt angetriebener Drehkopf für eine Fräsmaschine, mit einem kardanischen Aufbau, auf dem eine Spindel zur Rotation um mehrere Achsen angeordnet ist, und mit einer Anordnung von Motoren mit zumindest einer ersten und einer zweiten Motoreinrichtung, die mit dem Kardanaufbau und der Spindel zum direkten Antrieb und zur Steuerung der Drehung des Kardanaufbaus und der Spindel um die Achsen gekuppelt sind.

12. Drehkopf nach Anspruch 11, wobei der Kardanaufbau eine um eine erste Achse drehbeweglich angeordnete Gabel mit einem Paar beabstandeter Gabelarme und eine um eine zweite Achse drehbeweglich zwischen den Gabelarmen angeordnete Spindel aufweist, wobei eine erste Motoreinrichtung zum direkten Antrieb der Gabel und zur Steuerung der Gabeldrehung um die erste Achse sowie eine zweite Motoreinrichtung zum direkten Antrieb der Spindel und zur Steuerung der Spindeldrehung um die zweite Achse vorgesehen sind.

13. Drehkopf nach Anspruch 12 mit einer Anordnung aus einem Tragarm und einer ersten Motoreinrichtung, welche die Merkmale der Ansprüche 2 bis 4 aufweist.

14. Drehkopf nach Anspruch 12, wobei der Kardanaufbau ein Spindelgehäuse, in dem die Spindel zur Drehung um eine dritte Achse angeordnet ist, und einen dritten Motor, der mit der Spindel zum direkten Antrieb und zur Steuerung der Spindeldrehung um die dritte Achse gekuppelt ist, aufweist.