DE3304463C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kupplungseinrichtung für zu verbindende Teile von Werkzeugmaschinen oder dergleichen.

Bei Kombinationsdrehbänken ist es üblich, den Werkzeughal­ ter am Werkzeugschlitten fest anzubringen oder um eine vertikale Achse drehbar zu lagern. Diese Arten der Ver­ bindung machten es jedoch bislang unmöglich, den Werkzeug­ halter im rechten Winkel zur Arbeitsspindel und zur Werkzeugspindel zu bewegen, um systematische Maschinen­ fehler, wie eine Abnutzung von Werkzeugen oder eine Wärmeausdehnung von Maschinenteilen, auszugleichen. Wenn sich nun beispielsweise bei der Fertigung einer Keilnut mittels eines an der Werkzeugspindel befestigten Fräsers, bei der die Breite der Keilnut durch den Außendurchmes­ ser des Fräsers bestimmt wird, der Fräser abnutzt, wird die Keilnut mit größer werdender Abnutzung immer schma­ ler. Hier bleibt bislang nur die Möglichkeit, den Fräser auszuwechseln, wenn eine gewisse Toleranz bei der Ferti­ gung überschritten wird.

Aus der DD-PS 1 39 225 ist eine hydraulische und elektro­ nisch gesteuerte Feinzustellvorrichtung zur automatischen Korrektur von systematischen Maschinenfehlern bekannt, die einen hydraulischen Druckraum, einen in den Druckraum druckdicht hinein geführten Kolben und ein hydraulisch beaufschlagtes, federnd abgestütztes Stellelement auf­ weist. Der Kolben ist dabei über ein Getriebe mit einem elektrischen Motor verbunden, an dem eine durch einen Vergleich von Soll- und Istwert elektronisch ermittelte und verstärkte Stellgröße anliegt, wenn eine automatische Korrektur erforderlich ist.

Aus der GB-PS 11 40 166 ist eine Spanneinrichtung für eine Last tragende bzw. bewegende Elemente, beispielsweise für eine Leitspindel, bekannt, die an einem Ende des andererseits befestigten Elementes so angreift, daß es einer Zugspannung ausgesetzt wird. Dabei wird eine hy­ draulische Flüssigkeitssäule geeigneter Steifigkeit an dem einen Ende zur Wirkung gebracht, wobei der Druck der hydrauli­ schen Flüssigkeit durch ein Reduzierventil mit Entlüftung und eine Drossel aufrechterhalten wird. Die Flüssigkeit­ säule drückt auf einen Kolben, der seinerseits auf ein Drucklager drückt, durch das das Elemente gelagert ist. Durch diese Spanneinrichtung sollen eben­ falls systematische Maschinenfehler ausgeglichen werden.

Weder die bekannte Feinzustellvorrichtung noch die be­ kannte Spanneinrichtung können jedoch zur Verbindung von zwei Werkzeugmaschinenteilen, beispielsweise eines Werk­ zeughalters und eines Werkzeughalterschlittens, verwendet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit konstruktiv einfachen Mitteln eine Kupplungseinrichtung für zu ver­ bindende Teile von Werkzeugmaschinen zu schaffen, mit deren Hilfe systematisch bedingte Lagefehler zwischen den zu verbindenden Maschinenteilen ohne Beeinträchtigung der Steifigkeit der Verbindung genau ausgeglichen werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhaf­ te Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kupplungsein­ richtung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 und 3.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kupplungseinrich­ tung ermöglicht es, systematisch bedingte Lagefehler zwischen den zu verbindenden Maschinenteilen, die bei­ spielsweise durch Wärmeausdehnung oder Abnutzung von Maschinenteilen entstehen, genau auszugleichen, ohne daß die Steifigkeit der Verbindung beeinträchtigt wird. Die auszugleichende relative Verlagerung der Maschinenteile liegt dabei im Mikrometerbereich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeich­ nungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Kombinationsdrehbank,

Fig. 2 einen Teilquerschnitt einer Kupplungseinrichtung, die im Verbindungsbereich eines Werkzeughalters und eines Werkzeughalter­ schlittens der Kombinationsdrehbank ver­ wendet wird,

Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Steuereinrichtung für die Größe der Verschiebung des Werkzeughal­ ters,

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer Bohrmaschine, bei der die Kupplungseinrichtung im Verbindungsbereich einer Säule und einer Grund­ platte verwendet wird und

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer Dreh­ bank, bei der die Kupplungseinrichtung im Verbindungsbereich eines Reitstocks und seines Schlittens und eines Werkzeughalters und seines Schlittens eingesetzt ist.

Die in Fig. 1 gezeigte Kombinationsdrehbank W ist von herkömmlicher Bau­ weise mit Ausnahme der Kupplungseinrichtung im Ver­ bindungsbereich des Werkzeughalters 1 und des Werk­ zeughalterschlittens 2. Die Kombinationsdrehbank W hat ein Bett 3 und ein Spannfutter 4, das an der Arbeitsspindel angebracht ist. Ein Bettschlitten 5 ist auf dem Bett 3 angeordnet ist, so daß er in Richtung der Spindel (das ist die im rechten Winkel zur Zeich­ nungsebene in Fig. 1 verlaufende Richtung), verschieb­ bar ist. Der Werkzeughalterschlitten 2, der mit dem Werkzeughalter 1 verbunden ist, ist auf dem Bett­ schlitten 5 angeordnet, so daß er nach rechts und nach links in Fig. 1 verschiebbar ist, wobei der Werkzeughalterschlitten 2 auf dem Bettschlitten 5 durch einen Motor 6 verschoben wird. Der Werkzeughal­ ter 1 hat eine Werkzeugspindel 7, an der ein Fräser 8 angebracht ist. Die Werkzeugspindel 7 ist durch einen Motor 9 drehan­ treibbar.

Der Werkzeughalter 1 und der Werkzeughalterschlitten 2 sind durch die Kupplungseinrichtung miteinander verbunden.

In Fig. 2 ist die Kupplungseinrichtung zum gegen­ seitigen Verbinden der Maschinenteile der Werkzeugmaschine, d. h. des Werkzeughalters 1 und des Werkzeughalterschlittens 2, im einzelnen darge­ stellt. Die Kupplungseinrichtung umfaßt eine Druckkammer 10, ein säulenförmiges Teil 11, das durch einen Flüssig­ keitsdruck in der Druckkammer 10 auf gleichmäßigen Zug in axialer Richtung beansprucht wird, und einen Halter 15, der im wesentlichen aus einem steifen Material hergestellt und an der Spitze 12 des säulen­ förmigen Teiles 11 befestigt ist und mit dem unteren Teil 13 des säulenförmigen Teiles 11 in Eingriff steht, so daß er nur in Axialrichtung verschiebbar ist. Er ist in den Werkzeughalter 1 und den Werkzeughalterschlitten 2 integriert, die gegenseitig mit dem unteren Ende 14 des säulenförmigen Teiles 11 und dem Halter 15 verbun­ den sind, wodurch eine gegenseitige Mikroverstellung der miteinander verbundenen Maschinenteile 1 und 2 aufgrund der elastischen Deformation des säulenförmigen Teiles 11 durch den Flüssigkeits­ druck in der Druckkammer 10 ermöglicht wird. Da der untere Teil 13 des säulenförmigen Teiles 11 und der Halter 15 durch einen unterlegscheiben­ ähnlichen Federteller 16 oder einen Gleitteil 16 a im Eingriff stehen, um nur in Axialrichtung verschieb­ bar zu sein, wird die Schneidreaktionskraft, die rechtwinklig zur Y-Achse angreift, auf den Werkzeug­ halterschlitten 2 in dem im Eingriff stehenden Teil übertragen. Es treten keine Biegespannungen an dem säulenförmigen Teil 11 auf, so daß infolgedessen die Steifigkeit in dem Verbindungsbereich sicherge­ stellt ist und auch eine genaue Linearität zwischen dem Flüssigkeitsdruck in der Druckkammer 10 und der Verschiebungsgröße des Werkzeughalters 1 in Y-Achsen­ richtung aufrechterhalten werden kann.

Das in Fig. 2 gezeigte säulenförmige Teil 11 ist so aus­ gebildet, daß da untere Ende 14 mit dem Werkzeug­ halterschlitten 2 durch eine nicht gezeigte Schraube befestigt ist und die Spitze 12 mit dem Werkzeug­ halter 1 mittels eines Kopfteiles 17 befestigt ist. Das Halteteil 15 bildet mit dem Werkzeughalter 1 ein Stück, wobei ein zylindrisches Loch konzentrisch um das säulenförmige Teil 11 in dem Werkzeughalter 1 ausgebildet ist. Eine Hülse 18 ist in das zylindrische Loch eingepaßt, um die Druckkammer 10 zu bilden. Die Hülse 18 ist so angeordnet, daß der Flüssigkeitsdruck in der Druck­ kammer 10 nicht direkt an dem Werkzeughalter 1, der ein Gußteil ist, angreift. Sie ist infolgedessen ein integrales Teil des Halters 15. Ihr unterer Endab­ schnitt ist auf dem unteren Teil 13 des säulen­ förmigen Teiles 11 gleitbar. Der untere Teil 13 des säulenförmigen Teiles 11 und der Halter 15 stehen durch das Gleitteil 16 a nur in Axialrichtung des säulenförmigen Teiles 11 ver­ schiebbar im Eingriff. Um aber die Steifigkeit des im Eingriff stehenden Teiles zu erhöhen, sind der Halter 15 und der untere Teil 13 des säulenförmigen Teiles 11 durch den unter­ legscheibenähnlichen Federteller 16 miteinander ver­ bunden. Der innere Umfangsteil des Federtellers 16 ist zwischen dem unteren Ende 14 des säulenförmigen Teiles 11 und dem Werkzeughalterschlitten 2 einge­ klemmt und an der Seite des Werkzeughalterschlittens 2 befestigt. Sein äußerer Umfangsteil ist zwischen dem unteren Endteil des Halters 15 und einem Halte­ teil 19 eingeklemmt und an der Seite des Halters 15 befestigt. In dem Werkzeughalter­ schlitten 2 und dem säulenförmigen Teil 11 sind Druckölversorgungsbohrung 20, 21, 22 ausgebildet. Außerdem sind Flüssigkeitsdichtungen 23 und 24 vorgesehen.

Wenn bei dem beschriebenen Aufbau Betriebsöl mit hohem Druck der Druckkammer 10 zugeführt wird, er­ zeugt der Druck eine gleichmäßige Zugkraft in axialer Richtung in dem säulenförmigen Teil 11. Der Werkzeughalter 1 verschiebt sich auf­ grund der sich ergebenden elastischen Verformung des säulenförmigen Teiles 11 in Fig. 2 um einen winzigen Betrag nach oben, so daß die Werkzeug­ spindel 7 einen winzigen Vorschub in Y-Achsenrichtung erhält.

Die Druckölversorgungseinrichtung für die Druckkammer 10 und das Steuersystem sind in Fig. 3 gezeigt, wobei ein Zylinder 26 der Druckölver­ sorgungseinrichtung, ein in dem Zylinder 26 sich vorwärts und rückwärts be­ wegender Tauchkolben 27 eine einstückig mit dem Tauchkolben 27 ausgebildete Schraubspindel 28, ein mit der Schraubspindel 28 im Eingriff stehendes Zahnrad 29, ein mit dem Zahnrad 29 im Eingriff stehendes Zahnrad 30, ein Gleichstrommotor 31 für den Antrieb des Zahnrades 30 und eine Öldruckleitung 32 vorgesehen sind. Der Gleichstrommotor 31 wird durch eine Servosteuerung gedreht, die durch die später noch zu beschreibende Steuereinrichtung betrieben wird. Der Gleichstrommotor 31 dreht das Zahn­ rad 29, das an einem nicht gezeigten Rahmen mittels des Lagers 33 gelagert ist, und bewirkt, daß der nicht drehbare Tauchkolben 27 vor- und zurückbewegt wird, um den Druck des der Druckkammer 10 zugeführten Be­ triebsöles zu ändern und die Größe der Verschiebung des Werkzeughalters 1 in Y-Achsenrichtung zu ändern.

Die Größe der Verschiebung des Werkzeughalters 1 wird von einem Differentialtransformator 34 abge­ nommen und durch einen isolierten Verstärker 35 dem Differenzverstärker 36 zugeführt. Andererseits werden die Instruktionsdaten, die von einer NC-Vor­ richtung oder einer anderen Instruktionsvorrichtung, die nicht gezeigt ist, zugeführt werden, über einen D-A-Wandler dem Differenzverstärker 36 zugeführt. Ein Hilfsverstärker steuert den Gleichstrommotor 31 mit dem Differenzsignal. Wenn das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 36 innerhalb eines festen zulässigen Wertes liegt, wird das Koinzidenzsignal eines Komparators 37 an die Instruktionsvorrichtung ausgegeben und die Lage des Werkzeughalters 1 auf der Y-Achse, d. h. des Werkzeugs 8, entspricht der eingegebenen Lage.

Wie zuvor beschrieben, wird der Werkzeughalter 1 in seiner Lage in Y-Achsenrichtung richtiggestellt oder verschoben und ein durch Wärmedehnung des ein­ gespannten Werkstücks 25 entstehender Bearbeitungs­ fehler oder ein durch die Abnützung des Werkzeugs 8 entstehender Bearbeitungsfehler berichtigt. Es kann auch eine genaue Bearbeitung entsprechend dem Unter­ schied verschiedener Anschlußmaße, wie z. B. bei einer Keilnut, durch die Verschiebung des Werk­ zeughalters 1 in Y-Achsenrichtung erzielt werden. Da aber die gleichmäßige Zugbeanspruchung bei dem zuvor genannten Aufbau nur auf das säulenförmige Teil 11 angewandt wird, wird eine genaue lineare Beziehung zwischen dem Druck des Drucköles, das der Druckkammer 10 zuzuführen ist, und der Verschiebung des Werkzeug­ halters 1 sichergestellt, wodurch die Steuerung der Größe der Verschiebung mit Leichtigkeit und mit äußerster Genauigkeit durchgeführt werden kann.

Durch die Ver­ wendung der Kupplungseinrichtung wird eine Y-Achsenausgleichseinrichtung des Werkzeug­ halters 1 der Kombinationsdrehbank W erhalten, wobei die Kupplungseinrichtung eine hohe Steifigkeit im Verbindungsbereich sicherstellt und die Funktion und Wirkung hat, daß die gegenseitige Lagebeziehung der Maschinenteile sehr fein mit hoher Genauigkeit gesteuert werden kann, so daß sie als Kupplungseinrichtung für Maschinenteile bei Ma­ schinen eingesetzt werden kann, welche hohe Steifig­ keit und Genauigkeit erfordern.

Die Bohrmaschine B, die in Fig. 4 gezeigt ist, ist so ausge­ bildet, daß eine Säule 38 und ein Unterteil 39 durch die Kupplungseinrichtung 40 miteinan­ der verbunden sind. Der Winkel der Säule 38 kann sehr fein und genau durch die selektive Zufuhr von Drucköl zu den jeweiligen Kupplungseinrichtungen 40 eingestellt werden.

Auch bei der Drehbank T, die in Fig. 5 gezeigt ist, kann für den Fall, daß ein Reitstock 41 und ein Reitstockschlitten 42 durch Verwendung der Kupplungseinrichtungen 40 in Horizontalrichtung miteinan­ der verbunden sind, ein zwischen einer Arbeitsspindel 43 und dem Reitstock 41 eingespanntes Werkstück 25 um einen kleinen Winkel in der Horizontalebene ver­ schoben werden, um den Ausgleich der Verjüngung des Werkstücks 25 oder des Grades der zylindrischen Form herbeizuführen. Außerdem kann, wenn ein Werkzeug­ halter 44 und ein Werkzeughalterschlitten 45 durch Verwendung der Kupplungseinrichtungen 40 in der Horizontalrichtung miteinander verbunden sind, das Schneidwerkzeug 46 statisch oder dynamisch vor- und zurückbewegt werden, um den Abmessungsunterschied des Außendurchmessers des Werkstücks 25 oder den Schlag auszugleichen.

Die Säule 38 ist an einer Stützplatte 47 befestigt. Die Stützplatte 47 und das Unterteil 39 sind durch die Kupplungseinrichtungen 40 miteinander verbunden. Weiterhin ist ein Bett 48, ein Gestell 49 und ein Schloßkasten 50 vorgesehen, in welchem eine Spindelantriebseinrichtung eingebaut ist.

Das säulenförmige Teil 11 der Kupplungseinrichtung hat eine hohe Steifigkeit in Axialrichtung, und die mögliche Größe der Verschiebung der miteinander verbundenen Maschinenteile beträgt weniger als 1 mm. Die Steuerung der Verschiebungs­ größe wird mit der Genauigkeit in der Größenordnung eines Mikrons ausgeführt und der Flüssigkeitsdruck, der der Druckkammer 10 zugeführt wird, wird auf einen Hochdruck von ungefähr 500 bis 700 kg/cm² eingestellt. Die kompressible Eigenschaft, in die Hochdruckflüssigkeit ein­ gemischter Luft ist ein Hauptfaktor für eine Ver­ schlechterung der Steuerungsgenauigkeit der Ver­ schiebungsgröße, insbesondere der dynamischen Steuer­ genauigkeit. Um die Verschlechterung der Steuerge­ nauigkeit durch zugemischte Luft zu vermeiden, ist es wirkungsvoll, wenn das Volumen der Druck­ kammer 10 so klein wie möglich ist. Die Hülse 18 wird in die Druckkammer 10 eingeführt, um das Volumen der Druckkammer 10 zu reduzieren, wie es durch die gestrichelte Linie in Fig. 2 dar­ gestellt ist.

Claims (3)

1. Kupplungseinrichtung für zu verbindende Teile von Werkzeug­ maschinen oder dergleichen, gekennzeichnet durch

• - eine in einem der Maschinenteile (1, 2) ausgebildete Druckkammer (10),
• - durch ein in der Druckkammer (10) angeordnetes Säulenteil (11), das infolge eines Flüssigkeitsdrucks in der Druck­ kammer (10) in seiner Axialrichtung gleichmäßig auf Zug beansprucht wird, und
• - durch einen Halter (15), der im wesentlichen aus einem steifen Material hergestellt, an der Spitze (12) des säulenförmigen Teils (11) befestigt ist und mit dem unteren Teil (13) des säulenförmigen Teiles (11) im Eingriff steht, so daß er nur in Axialrichtung verschieb­ bar ist,
• - wobei die Kupplungseinrichtung in die zu verbindenden Maschinenteile (1, 2) integriert ist, die jeweils mit dem unteren Teil (13) des säulenförmigen Teils (11) und dem Halter (15) verbunden sind, und
• - wobei zur relativen Verlagerung der beiden Maschinenteile (1, 2) im Mikrometerbereich der Flüssigkeitsdruck in der Druckkammer (10) steuerbar ist.

2. Kupplungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen dem unteren Teil (13) des säulenförmigen Teiles (11) und dem Halter (15) ein unterlegscheibenähnlicher Federteller (16) angeordnet ist.

3. Kupplungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander zu verbin­ denden Maschinenteile ein Werkzeughalter (1) und ein Werk­ zeughalterschlitten (2) sind.