DE3314629C2

DE3314629C2 - Vorrichtung zum Erzeugen einer axialen Spannkraft für das radiale Verstellen der Spannbacken von Kraftspannfuttern für umlaufende Arbeitsspindeln

Info

Publication number: DE3314629C2
Application number: DE19833314629
Authority: DE
Inventors: Hubert Dipl.-Ing. 5920 Bad Berleburg Bald
Original assignee: Individual
Current assignee: Forkardt Deutschland GmbH
Priority date: 1982-05-13
Filing date: 1983-04-22
Publication date: 1985-10-03
Also published as: DE3314629A1

Abstract

Kraftspannfutter, bei dem ein Drehmoment auf ein Eingangsorgan übertragen und von diesem über einen Wälzgewindetrieb in eine axiale Spannbewegung umgesetzt wird, wobei dem Wälzgewindetrieb eine vorzugsweise steuerbare Rücklaufsperre zugeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer axialen Betätigungskraft für das radiale Ver-

stellen der Spannbacken von Kraftspannfuttern zum Spannen von Werkzeugen oder Werkstücken in zum Umlauf antreibbaren Arbeitsspindeln während deren Stillstand, umfassend einen Motor, dessen Abtriebsmoment aber einen mit der Arbeitsspindel mitumlaufenden Schraubtrieb in die axiale Betätigungskraft umgeformt wird.

Bekanntlich erlauben moderne Zerspanungswerkzeuge bei extrem hohen Drehzahlen sehr hohe Zerspanungsleistungen, und um die Rüst- und Nebenzeiten entsprechend zu verringern, werden immer mehr Werkzeugmaschinen (Dreh-, Bohr-, Fräsmaschinen) mit Kraftspannfuttern versehen.

Die dabei gestellten Forderungen lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Wegen der hohen Drehzahlen müssen entsprechend hohe Spannkräfte aufgebracht werden, um die Fliehkraft der Spannbacken zu kompensieren. Die Spannkraft soll mit hoher Genauigkeit einstellbar sein, einmal aus Sicherheitsgründen, zum anderen, um die Spannkraftreserve voll ausnützen zu können, und schließlich, um eine Anpassung an z. B. unterschiedliche Wanddikken von Drehteilen vornehmen zu können. Das Spannen selbst soll mit hohem Wirkungsgrad und bei geringem relativen Zeitaufwand erfolgen. Der Aufwand für 2s Fertigung, Wartung und Verschleißteilersatz soll gering sein, und die Kraftspannvorrichtung soll möglichst vielseitig einsetzbar sein, z. B. sowohl bei Vollspindeln als auch bei Hohlspindeln.

Es sind Kraftspannfutter bekannt, die mit pneumatischer, hydraulischer oder elektrischer Spannenergieerzeugung arbeiten. Die technischen Einzelheiten lassen sich dem Buch »Kraftbetätigte Spannzeuge« von Johann Lukowski, Carl Hanser Verlag, München, 1965, entnehmen. Während die in der genannten Veröffentlichung noch favorisierten pneumatischen Vorrichtungen inzwischen an Bedeutung verloren haben, werden gegenwärtig in zunehmendem Maße neben Elektrospannern hydraulische Kraftspanner eingesetzt

Solche Hydraulikspanner erlauben die Erzeugung sehr hoher Spannkräfte; nachteilig ist aber, daß ein in Druckölkreislauf aufgebaut werden muß, der einen erheblichen apparativen und energiemäßigen Aufwand erfordert Die bei modernen Werkzeugmaschinen übliche elektrische oder elektronische Steuerung kann hydraulische Spannzeuge nicht unmittelbar ansteuern, sondern es sind elektrohydraulische Wandler, etwa Magnetventile, notwendig. Der Wartungsaufwand ist erheblich. Man erkennt, daß Hydraulikspanner die eingangs aufgelisteten Forderungen nur unvollkommen zu erfüllen vermögen.

Der gegenwärtige Stand der Technik bei Elektrospannern wird durch die Firmendruckschrift Paul Forkardt KG Nr. 500.01.7D/1979 »Elektrospanner« belegt Sie umfassen einen Elektromotor, der für das Spannen von Werkzeugen, etwa bei Fräsmaschinen, stationär sein kann und nur für den Spannvorgang angekoppelt wird, aber auch bei Drehmaschinen mit der Spindel umlaufend ausgebildet sein kann. Das Abtriebsmoment des Motors wird über ein Untersetzungsgetriebe und einen Drehmomentbegrenzer auf die Mutter eines Schraubtriebs übertragen, welcher mit einem Zug-/Druckrohr zusammenwirkt. Diese Vorrichtungen weisen mithin die im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale auf.

Ein Nachteil der bekannten Elektrospanner liegt darin, daß die Einstellung der Spannkraft an dem mechanischen Drehmomentbegrenzer relativ ungenau und schwierig, manuell vorzunehmen und daher verhältnismäßig zeitraubend sowie kaum automatisierbar ist Ferner ist die Ausbildung als Hohlspindei-Spanner aus noch im einzelnen zu erläuternden Gründen kaum möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, tine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart auszubilden, daß eine reproduzierbare und einfache, sehr genaue Einstellung der Spannkraft ermöglicht wird, wobei die eingangs genannten generellen Forderungen sämtlich erfüllbar sein sollen.

Die gemäß der Erfindung in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs zur Lösung dieser Aufgabe vorgesehenen Merkmale sind im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannt

Ausführungsformen bzw. Ausgestaltungen der Erfinduag ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 28.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Nachteile der bekannten Elektrospanner primär in dem Element liegen, das die Umsetzung der drehenden Bewegung in die translatorische Spannbewegung bewirkt also in dem herkömmlicherweise verwendeten Gleitschraubtrieb.

Bei dem nachfolgenden Beispiel wird der Einfachheit halber ein Flachgewinde zugrunde gelegt. Die Anwendung der etwas komplizierten Formeln für die übliche Spitzgewindeform (ISO/R 68) führt jedoch nur zu unerheblichen Abweichungen in den numerischen Ergebnissen der behandelten Beispiele. Die hier verwendeten Abmessungsbezeichnungen sind aus den Zeichnungsfiguren 12a, 12b entnehmbar.

Um am Zug-/Druckrohr eine Axialkraft F₈ zu erzeugen, muß am Umfang der Gewindcflanken mit dem Flankendurchmesser D bei einer Steigung h ein Drehmoment Md aufgebracht werden gemäß der Beziehung

Md= F. -γ tan (β+ Φ),
worin/?der Steigungswinkel des Schraubtriebs ist mit
β = arc tan —-^

und 0der Reibungswinkel ist mit
Φ = arc tan μ

wobei μ der Reibungskoeffizient der aufeinandergleitenden Teile ist. Der Einfachheit halber sind weitere Reibungseinflüsse hier unberücksichtigt geblieben.

Für kleine Werte von β und Φ, die hier unterstellt werden können, kann man (1) annähern gemäß

M_d = F.h-^ + F.-9-

worin der Term Mds den tatsächlich zum Spannen aufgebrachten Anteil, MdR den Anteil an Reibungsverlusten darstellt.

In (4) ist bemerkenswert, daß der Spannterm unabhängig von D ist, während der Verlustterm proportional zu 5 zunimmt. Je größer der Flankendurchmesser ist, desto ungünstiger werden die Verhältnisse; demgemäß werden bisher Spanner mit Gleitschraubtrieb nicht für Hohlspindeln gebaut.

Überprüft man nun anhand konkreter Zahlenwerte

das Verhältnis der beiden Anteile zueinander, so ergibt sich bei einer Vollspindel mit D = 30 mm, Λ = 2 mm und/< = 0,15 ein Verhältnis M^sIMdR von etwa 1 : 7. Bei einer Hohlspindel mit D = 80 mm liegt bei sonst gleichen Daten das Verhältnis bei etwa 1:19.

Das bedeutet, daß von der installierten Leistung des Motors der weit überwiegende Teil nicht zur Spannkrafterzeugung verwertet wird. Das bedeutet ferner, daß die erzeugte Spannkraft in ganz erheblichem Maße von dem jeweils wirksamen Reibungskoeffizienten bestimmt wird; bei einem gut geschmierten und sauberen Gleitschraubtrieb kann man mit μ = 0,1 rechnen, bei ungenügender Wartung aber mit μ = 0,2 oder noch schlechter. Es kann also eintreten, daß ein bestimmtes Drehmoment, manuell am Drehmomentenbegrenzer eingestellt, je nach Schmierzustand des Gleitschraubtriebs bei ein und demselben Werkstück zu hoch sein kann, so daß das Werkstück beschädigt wird, oder aber zu klein, um es sicher zu spannen. Eine genaue Vorgabe der Spannkraft ist in aller Regel nicht möglich. Die unvermeidliche Überdimensionierung des Motors unter den so gegebenen Umständen hat selbstverständlich noch weitere Nachteile. Abgesehen von der Unwirtschaftlichkeit, wirkt sich dies vor allem bei mitumlaufenden Motoren aus, weil sie durch die Vergrößerung des Trägheitsmoments die Hochlauf- und Abbremszeiten der Spindel vergrößern, und bei sehr hohen Spindeldrehzahlen erreicht man wegen der extrem hohen Fliehkräfte auch sehr schnell Grenzen für die Festigkeit der Motorenbauteile.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Elektrospanner tritt selbst dann auf, wenn der Spannmotor nicht mit umläuft In Gleitschraubtrieben nämlich ist die Differenz der Reibungskoeffizienten bei Haftreibung und Gleitreibung verhältnismäßig groß, so daß der Spannvorgang nicht kontinuierlich, sondern immer ruckweise (»stick-slip-Verhalten«) verläuft

Die genannten Nachteile treten bei der erfindungsgemäßen Ausbildung nicht auf. Bei einem Wälzschraubtrieb ergibt sich nämlich ein außerordentlich geringer Reibungskoeffizient in der Größenordnung von μ = 0,002. Man kann leicht nachrechnen, daß das Spannkraft/Verlustverhältnis bei den oben angegebenen Durchmessern D = 30 mm bzw. D = 80 mm sich auf etwa 10:1 bzw. 4 :1 beläuft, wobei diese Werte vom Pflegezustand des Triebs weitgehend unabhängig sind und auch kein stick-slip-Verhalten auftritt

Der größte Teil der installierten Motorleistung wird also zum Spannen verwertet und — was noch wichtiger ist — dieser Anteil ist vorausberechenbar und reproduzierbar. Mit anderen Worten erlaubt also die Erfindung, die Spannkraft über einen Betriebsparameter des Motors zu steuern; ein manuell verstellbarer Drehmomentbegrenzer ist nicht mehr erforderlich. Auf die hieraus resultierenden weiteren Vorteile wird später noch eingegangen.

Zunächst ist darauf hinzuweisen, daß die Reibungsarmut des Wälzschraubtriebs zur Folge hat, daß dieser im allgemeinen nicht selbsthemmend ist Da das umlaufende Teil des Wälzschraubtriebs aber entweder beim Anlauf oder beim Abbremsen der Spindel massebedingten Drehmomenten in Entspannrichtung unterworfen ist und/oder auch vom Spannen her Kräfte zurückwirken, muß der Spannzustand durch eine Sperre gesichert werden. Diese kann formschlüssig oder kraftschlüssig sein, und sie kann auch schaltbar ausgebildet werden. Bevorzugt wird sie mit einem Spannkraftspeicher, etwa einem Federspeicher kombiniert

Es ergibt sich aus den obigen Abschätzungen ohne weiteres, daß die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung für eine gegebene Spannkraft zu installierende Leistung nur einen Bruchteil der Leistung des herkömmlichen Elektrospanners zu betragen braucht. Dies ermöglicht mehrere Vorteile: Einmal kann — wenn der Spannmotor mit der Spindel umlaufen soll — sein Trägheitsmoment sehr klein sein, zum anderen kann man mit Vorteil handelsübliche, bei NC-Steuerungen von Werkzeugmaschinen eingesetzte Stellmotoren verwenden, die nur für den Spannvorgang mit dem Wälzschraubtrieb mechanisch oder elektromagnetisch gekuppelt werden. Da, wie bereits erwähnt, die Betriebsparameter des Motors die Spannkraft bestimmen, oder, wie noch im einzelnen zu erläutern ist, die Spannkraft selbst geregelt werden kann, wobei der Motor den Steilantrieb des Regelkreises bildet, kann die Steuerung der Spannkraft leicht in das NC-Steuersystem der Gesamtmaschine integriert werden.

Die Integration der Ansteuerung der Spannvorrichtung in die übliche NC-Steuerung kann sogar noch weitergehen und ermöglicht eine beim Spannen von Werkzeugen oder Werkstücken bisher nicht bekannte Arbeitsweise. Die NC-Steuerungen sind bekanntlich für Lageregelung ausgebildet, das heißt, die IST-Position eines Stellgliedes wird mit der SOLL-Position verglichen und die verbleibende Wegdifferenz beeinflußt den Stellantrieb dergestalt, daß mit kleiner werdender Wegdifferenz (d. h. Annäherung an die SOLL-Position) der Antrieb immer langsamer läuft Um die Vorrichtung gemäß der Erfindung mit den gleichen Steuerorganen ansteuern zu können, ist demgemäß die jeweils erreichte Spannkraft in einen Weg umzusetzen, etwa durch Spannen eines elastischen Organs, dessen Kraft-Weg-Charakteristik bekannt ist, wobei dann der jeweils erreichte Weg mittels bekannter Meßorgane erfaßt werden kann. Da es ohnehin bevorzugt ist, einen Spannkraftspeicher in Form einer Feder vorzusehen, läßt sich das Meßorgan direkt an diesem Speicher vorsehen, doch ist dies nicht zwingend. Vom Meßorgan kann dann der jeweilige IST-Wert des Weges, in bekannter Funktion die Spannkraft repräsentierend, auf die NC-Steuerung gegeben und ebenso ausgewertet werden, wie dies bei herkömmlichen Lageregelungen der Fall ist.

Zum grundsätzlichen Aufbau der Wälzschraubtriebe wird auf die Veröffentlichung von Müller-Gerbes und Ernst »Maschinenelemente zum Umformen drehender in geradlinige Bewegungen« in »WERKSTATT UND BETRIEB« 1978, H. 2, S. 65-77, verwiesen.

Neben den beiden Möglichkeiten des mitumlaufenden und des stationären, nur im Stillstand angekuppelten Motors gibt es noch eine Lösung, bei der der Motorstator stationär ist, der Rotor dagegen mit der Arbeitsspindel und dem Wälzschraubtrieb umläuft Die Mutter des Wälzschraubtriebs kann dann mit dem Rotor zusammen ein einziges Bauteil bilden.

Der Spannmotor wird nur dann benötigt, wenn die Spindel stillsteht Es ist deshalb möglich, den während des Arbeitsspindelumlaufs benutzten Spindelantriebsmotor während des Spindelstillstands abzukoppeln und als Spannmotor zu verwenden.

Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert

Um bei den verschiedenen Ausführungsbeispielen immer gleiche Terminologie verwenden zu können, sollen zunächst die drei Basiselemente definiert werden, die zusammenwirken (vgL auch Fig. 12a, 12b der Zeich-

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nung): Ein nach außen ragender Umfangsflansch 48 der Muf-

AIs »Spindel« soll die Arbeitsspindel der Maschine fe 42 liegt sandwichartig eingebettet zwischen zwei EIa-

bezeichnet werden, die zwar umlaufen kann, aber für stomerringen 50 bzw. 52, deren dem Flansch 48 abge-

den Spannvorgang als ortsfest angenommen wird, sowie wandte Stirnseiten von nach innen einspringenden

die mit der Spindel verbundenen Bauteile. 5 Schultern 54 bzw. 56 eines Zwischenringes 58 abge-

AIs »Mutter« des Wälzschraubtriebs soll das Bauteil stützt werden. Auch der Zwischenring 58 läuft gemeinbezeichnet werden, welches das Innengewinde aufweist. sam mit der Spindel 26, dem Rohr 30, der Hülse 32 und

Als »Hülse« des Wälzschraubtriebs soll hier das Bau- der Muffe 42 um, da von der letzten ein am Umfang teil bezeichnet werden, das das zugehörige Außenge- angeordneter Zapfen oder Keil 60 in eine entsprechenwinde aufweist. 10 de achsparallele Nut 62 des Zwischenringes 58 greift.

Eines der beiden Bauteile Mutter oder Hülse führt Auf einem Außenflansch 64 des Zwischenringes 58 ist

während des Spannens eine Axialbewegung relativ zur mittels Kugellagern 66 die Mutter 36 derart gelagert.

Spindel aus; eines der Bauteile Mutter oder Hülse führt daß der Zwischenring die Axialbewegungen der Mutter

dabei eine Drehung relativ zur Spindel aus. Es ist mög- mitmacht und sie über den jeweils dabei komprimierten

lieh, daß dasselbe Bauteil sowohl die Dreh- als auch die 15 Elastomerring 50 bzw. 52 auf die Muffe 42 und damit

Axiaibewegung ausführt Zwischen Mutter- und Hül- letztlich auf das Rohr 30 überträgt, wobei der Axialhub

sengewinde sind die Übertragungskörper in Form von des Rohres gleich dem der Mutter, vermindert um den

Kugeln oder Rollen vorgesehen. Es zeigt Kompressionshub des jeweiligen Elastomerringes, ist.

F i g. 1 in weitgehend schematisiertem Längsschnitt Der jeweils komprimierte Elastomerring dient demge-

eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer ersten 20 maß als Spannkraftspeicher. (Cs versteht sich, daß ein

Ausführungsform, solcher oder andersartiger Spannkraftspeicher auch an

F i g. 2 in ähnlicher Form ein zweites Ausführungsbei- einer anderen Stelle des Kraftflusses oder Reaktionsspiel, kraftflusses untergebracht werden kann.)

F i g. 3 eine analoge Darstellung einer dritten Ausfüh- An dem dem Rohr 30 abgewandten Ende weist der

rungsform, 25 Zwischenring 58 einen weiteren Außenflansch 68 auf,

F i g. 4 die Ausführungsform bei einem Mehrspindel- der als Widerlagerflansch bezeichnet werden soll, weil

Automaten, sich an ihm Druckfedern 70 abstützen, die einen Brems-

F i g. 5 eine weitere Ausführungsform, ring 72 gegen die Mutter 36 pressen. Der Bremsring ist

F i g. 6 eine weitere Ausführungsform bei einem söge- mit dem Widerlagerflansch 68 über Mitnehmerzapfen

nannten Vorderendfutter, 30 74 drehgekuppelt. Nur je eine Feder 70 und ein Mitneh-

F i g. 6a im Axialschnitt die erfindungsgemäße Vor- merzapfen 74 sind gezeichnet; es versteht sich, daß sie in

richtung mit einer metallischen Feder als Kraftspeicher, einer Vielzahl vorzugsweise alternierend auf dem Um-

F i g. 7 und £ Blockschemata von Regelkreisen für die fang des Widerlagerflansches 68 verteilt vorgesehen

Erläuterung der möglichen Arbeitsweisen unter Ver- sind,

wendung von erfindungsgemäßen Vorrichtungen, 35 Die Mutter 36 weist einen Außenzahnkranz 76 auf,

F i g. 9 das Blockschema einer NC-Steuerung für eine und auch der Widerlagerflansch besitzt einen gleicharti-

Drehmaschine unter Einbeziehung des Spannvorgangs, gen Außenzahnkranz 78. Der Spannmotor 31 ist an ei-

F i g. 10 bzw. 11 graphische Darstellungen des Zeit- nen Schlitten 80 angeflanscht, der von einem Linearan-

verlaufs der mechanischen Einflußgrößen bei den bei- trieb 82 längs einer am Maschinengestell 20 angeordne-

den möglichen Arbeitsweisen und 40 ten Führung 84 parallel zur Achse der Spindel 26 ver-

F i g. 12a bzw. 12b den konventionellen Schraubtrieb schieblich ist Der Schlitten trägt ein Zahnsegment oder

bzw. den Wälzschraubtrieb zwecks Verdeutlichung der einfach eine Sperrklinke 86, die beim Verschieben des

Unterschiede. Schlittens 80 nach links in der Zeichnung mittels des

F i g. 1 zeigt die Vorrichtung in Verbindung mit der Antriebs 82 in Eingriff mit dem Zahnkranz 78 des Wi-

Arbeitsspindel einer Drehmaschine. Ein Maschinenge- 45 derlagerflansches gelangt und ihn gegen Verdrehung

stell 20 stützt über Wälzlager 22 im Spindelstock 24 die sperrt Zugleich gelangt ein Abtriebsritzel 88 auf der

Arbeitsspindel 26 ab. Das in der Zeichnung linke Ende, Welle des Spannmotors 31 in Eingriff mit dem Zahn-

die »Nase« 28 der Spindel, trägt den (nicht dargestell- kranz 76 der Mutter 36; die zu kuppelnden Verzahnun-

ten) Futterkörper eines Spannfutters, beispielsweise ei- gen sind mit den Eingriff erleichternden Profilierungen

nes Dreibackenfutters, dessen Spannbacken durch die 50 versehen.

Axialbewegung eines Zug-/Druckrohrs 30 relativ zu der Es sei angenommen, daß, ausgehend von der gezeich-

Spindei 26 betätigbar sind. neten Position, ein Werkstück in dem (nicht dargesteü-

Diese Axialverschiebung wird mittels eines Spann- ten) Futter gespannt werden soll und daß hierzu das

motors 31 in der nachfolgend beschriebenen Weise auf Zug-/Druckrohr relativ zur Spindel nach links verscho-

das Rohr 30 übertragen: 55 ben werden soll. Hierfür wird der Schlitten 80 so weit

Die Spindel 26 trägt eine Hülse 32 mit Außenwälzge- nach links bewegt, bis der Spannmotor 31 die Mutter 36

winde 34; Spindel 26 und Hülse 32 sind starr miteinan- relativ zum Widerlagerflansch 68 verdrehen kann, was

der verbunden, während eine Mutter 36, die über als durch Auflaufen eines Anschlagblocks 90 auf den letzte-

Übertragungskörper oder Wälzkörper dienenden RoI- ren signalisiert wird. Der Antrieb 82 wird dann derart

len 38 mit ihrem Innengewinde 40 auf dem Außenge- 60 stillgesetzt, daß der Schlitten 80 freigegeben wird und

winde 34 abrollen kann, dabei eine Axialversetzung re- nun den Bewegungen der Mutter 36 bzw. des Widerla-

lativ zur Spindel erfährt, die auf das Rohr 30 zu übertra- gerflansches 68 folgen kann,

gen ist. Während des Leerhubs des Spannfutters, solange also

Das Rohr 30 ist starr mit einer Mitnehmermuffe 42 noch kein Kontakt der Spannbacken mit dem Werkverbunden, die dadurch mit der Spindel 26 zu gemeinsa- 55 stück vorliegt, ist das Rohr 30 relativ leicht beweglich mer Drehung verbunden ist, daß eine Rolle 44, auf dem gegenüber der Spindel 26, so daß sich zunächst die Axi-Umfang der Muffe 42 montiert, in eine Innenlängsnut 46 alverschiebung der Mutter 36 infolge Abrollens auf der der Hülse 32 greift Hülse 32 unter vernachlässigbar geringer Kompression

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des Elastomerringes 52 auf die Mitnehmermuffe 42 se lassen sich extreme Untersetzungsverhältnisse erreiüberträgt; beide laufen also nach links und nehmen den chen, ohne daß die Gewindegänge entsprechend gerin-Schlitten 80 samt Motor 31 mit Sobald die Backen am ge Tiefe aufzuweisen brauchen.
Werkstück anliegen, kann das Rohr 30 praktisch seine Während im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 der Ro-Axialbewegung nicht mehr fortsetzen, so daß das weite- 5 tor des Spannmotors 31 nur im Stillstand der Spindel re Verdrehen der Mutter 36 nun zu einer axialen ReIa- mit dieser in Wirkverbindung gebracht wurde, kämmt in tivbewegung der Mutter bezüglich der Muffe 42 unter dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 ein Abtriebsritzel Kompression des Elastomerringes 52 führt. 112 des Motors 31 ständig mit dem Zahnkranz 76 der Beim Ausschalten des Motors 31 ist die im Elastomer- Mutter 36 und schleppt, abgestützt durch Bordscheiben ring 52 gespeicherte Kraft auch die auf das Druckrohr ίο 114 an dem Zahnkranz, den Motor 31, den Axialbewe-

30 übertragene, an den Backen des Futters wirkende gungen der Mutter 36 folgend. Demgemäß ist der geSpannkraft, samte Motor 31 in einer Schlittenführung 116 angeord-

Bei bekannter Kraft-Weg-Abhängigkeit des Elaste- net, und sein Stator 118 ist mittels Geradführung 120

merringes ist die Größe der relativen Axialverschie- gegen Drehung abgesetzt.

bung zwischen dem Rohr 30 und der Mutter 36 ein Maß 15 Während des Arbeitsbetriebs läuft demgemäß der für die gespeicherte Spannkraft, und um diese Axialver- Rotor des Motors ständig mit der Spindeldrehung synschiebung erfassen zu können, ist an dem dem Futter chron um. Wenn im Spindelstillstand die Spannarbeit abgewandten Ende der Muffe 42 ein über Wälzlager 92 geleistet werden soll, muß die Spindel selbst festgehalabgestützter, nicht mit umlaufender Meßring 94 befe- ten werden. Deshalb weist sie einen Halteflansch 122 stigt. Er trägt einen Wegdetektor 96, der den Abstand 20 auf, der den Anker einer elektromagnetischen Bremse »d« zu erfassen gestattet und dessen Ausgangsgröße bildet. Das joch 124 der Bremse mit der Wicklung 126 über Kabel 98 einem (nicht dargestellten) Verarbei- wird gleichzeitig mit dem Spannmotor 31 eingeschaltet tungsschaltkreis zuführbar ist Die jeweilige Position und legt sich entgegen der Wirkung von Druckfedern »ρ« des Zug-/Druckrohres 30 relativ zum Maschinenge- 128 (von denen nur eine gezeichnet ist) an den Haltestell dagegen wird mittels zweier weiterer, stationär am 25 flansch an, und da das Joch durcii die Geradführung 130 Gestell 20 befestigter Detektoren 100,102 erfaßt zwi- gegen Drehung abgestützt ist wird so auch die Suir epischen denen sich ein Auslöser 104 bewegen kann, wel- drehung unterbunden. Der Kraftfluß für den Spannaneher auf einer vom Meßring 94 mitgenommenen Stange trieb verläuft also vom Stator des Spannmotors 31 in 106 sitzt seinen Rotor, von diesem zur Mutter 36 und über die

Die Reibungsbremse 67-70-72-74 hält die Mutter 36 in 30 elektromagnetische Kupplung 122/124 zurück zum Staihrer jeweils erreichten Winkelstellung gegen Rück- tor. Die Kupplung zwischen Motor 31 und dem Wälzdrehmomente fest die aufgrund der Massenträgheit schraubtrieb erfolgt demgemäß elektromagnetisch und oder aufgrund von Rückwirkungen von dem Spannsy- berührungslos.

stem her die Tendenz hätten, die erreichte Spannposi- Eine solche Ausführungsform ist in F i g. 3 gezeigt bei

tion des Rohres 30 zu verändern. (Diese ständig wirken- 35 deren Erläuterung wieder nur die Unterschiede gegen-

de Reibungsbremse kann auch an anderen Stellen der über F i g. 1 behandelt werden.

Anordnung vorgesehen werden oder sogar, indem man Auf der Mutter 130 des Wälzschraubtriebs sitzt ein die dem Wälzschraubtrieb arteigene Leichtgängigkeit Isolationsrohr 132, das die Stäbe 134 und Kurzschlußdosiert beeinflußt.) ringe 136 des Motorläufers trägt. Demgemäß ist die

Der Antrieb 82 des Schlittens 80 läßt sich so steuern, 40 Mutter 130 selbst ein Teil des Motorrotors. Stationär

daß das Abtriebsritzel 88 des Motors 31, anstatt mit dem und koaxial zu dem Läufer ist der Stator mit Polen 138

Zahnkranz 76 der Mutter 36, in Eingriff mit dem Zahn- und Wicklung 140 angeordnet

kranz 78 des Widerlagerflansches gelangt Bei stillste- Ferner ist in dieser Ausführungsform — im Gegenhendem Spindelantrieb kann dann die gesamte Spindel satz zu F i g. 1 — die Bewegungssperre zur Aufrechtermittels des Motors 31 verdreht werden. Dies ermöglicht 45 haltung des Spannzustands nur dann wirksam, wenn der da der Motor vorzugsweise gezielt stillsetzbar ist die Spannmotor ausgeschaltet ist Die auch hier als Bewe-Spindel in irgendeine gewünschte Winkellage zu dre- gungssperre dienende Reibungsbremse 142 hat prinzihen, etwa eine, in der eine Backe des Futters ihre tiefste piell denselben Aufbau wie nach Fig. 1, doch ist der Position erreicht hat Die jeweilige Winkellage der Spin- Bremsbelagträger 144 aus magnetisierbarem Material del kann dadurch erfaßt werden, daß auf der dem Motor 50 als Anker eines Elektromagneten ausgebildet dessen

31 abgewandten Seite des Zahnkranzes 78 ein indukti- Joch 146 derart ausgeordnet ist daß bei Erregung seiner ver Geber 108 vorgesehen ist der über sein Ausgangs- Wicklung 148 der Belagträger 144 entgegen der Wirkabel z. B. einec programmierbaren Zähler ansteuert kung der Druckfedern 70 von der Mutter 36 abgehoben

Die Ausführungsform nach F i g. 2 stimmt weitgehend wird, weil dadurch der Luftspalt des Magnetkreises ver-

mit Fig. 1 überein, und es sollen daher nur die Unter- 55 kleinen wird. Wie man erkennt ist die Anordnung so

schiede gegenüber jener erläutert werden. getroffen, daß diese Wirkung unabhängig von der Axial-

Man erkennt zunächst die »positiven« Gewindegänge lage der Mutter 36 bezüglich des Jochs 146 eintreten 34 der Hülse 32, und im Bereich eines Durchbruchs 110 wird; der Widerlagerflansch 150 ist entsprechend länger sind die Innengewindegänge 40' der Mutter dargestellt ausgebildet Man erkennt ferner, daß die Ansteuerung die hier »negativ« sind, das heißt zu denen der Hülse 60 des Magneten keinerlei Probleme aufwirft da er dann entgegengesetzten Windungssinn aufweisen. Hätten die Mutter freigeben soll, wenn auch der Spannmotor beide Gewinde gleiche Steigung, würde deshalb über- angesteuert wird: Beide Systeme werden demgemäß haupt keine axiale Bewegung der Mutter 36 resultieren. gleichzeitig unter Spannung gesetzt
Wählt man aber, wie hier, die Gewindesteigungen (ge- In der Ausführungsform nach F i g. 3 ist keine Bremse ringfügig) unterschiedlich, also z. B. +2 mm/360^o für die 65 für die Spindel gezeichnet die ja während der Spann-Hülse, —2£ mm/360^o für die Mutter, resultiert eine Dif- vorgänge nicht verdreht werden darf. Hier ist davon ferenz — im Beispiel 0,5 mm/360° — entsprechend wel- ausgegangen, daß die Spindel ständig mit ihrem eigenen eher dann die Axialverschiebung erfolgt Auf diese Wei- Antriebsmotor gekuppelt ist und daß dieser mit einer

Bremse ausgestattet ist, die bei seiner Ausschaltung in Tätigkeit tritt und so auch die Spindel festhält

In F i g. 3 sind noch die beiden unterschiedlichen Dikken f_A bzw. feder Elastomerfeder 50 im gelösten bzw. im gespannten Zustand des Spannsystems angedeutet; auf diese Größen wird bei der Erläuterung der F i g. 10 und 11 eingegangen.

F i g. 4 zeigt die Anwendung der Vorrichtung bei einer Mehrspindelmaschine. Spindeln 160 und 162 (es können natürlich mehr als zwei sein) sind in einer Spindeltrommel 164 gelagert, die ihrerseits im Maschinengestell 166 um ihre Achse 168 in Schritten drehbar ist In jeder so einstellbaren Winkellage der Trommel 164 läßt sich der einzige vorgesehene Spannmotor 170 mit derjenigen Spindel (hier Spindel 160) in Wirkverbindung bringen, deren Zahnkränze 176, 178 dann mit dem Spannmotor 170 ausgefluchtet stehen. Der Aufbau der Spindeln und des Motors nebst dessen Aufhängung entsprechen der Darstellung nach F i g. 1.

Bei den insoweit beschriebenen Ausführungsformen ist ein gesondert ansteuerbarer Spannmotor vorgesehen. Da die Spannarbeit jedoch während des Stillstands der Arbeitsspindel zu erfolgen hat, die ihrerseits ja ebenfalls einen Antriebsmotor aufweist, der dann nicht in Betrieb ist besteht die Möglichkeit, den Spindelantriebsmotor während des Spindelstillstands als Spannmotor einzusetzen.

Eine solche Ausführungsform ist schematisch in F i g. 5 dargestellt Die Spindel 180 trägt eine Zahnriemenscheibe 182, und auch die Mutter 184 trägt eine Zahnriemenscheibe 186. Der stationär am Maschinengestell 188 befestigte einzige Motor 190 trägt auf seiner Abtriebswelle ein Zahnriemenritzel 192, das über einen Zahnriemen 194 die Mutter antreibt wenn ein Spannvorgang auszuführen ist; die Spindel wird dabei gegen Drehung dadurch festgehalten, daß ihre Zahnriemenscheibe 182 über einen Zahnriemen 1% mit einem Zahnriemenritzel 198 in Wirkverbindung steht das auf einer Hilfswelle 200 aufgekeilt ist und mittels einer elektromagnetischen Kupplung 202 bei deren Erregung gebremst wird. Die Hilfswelle 200 liegt ausgefluchtet mit der Antriebswelle des Motors 190 und ist mit dieser über eine zweite elektromagnetisch schaltbare Kupplung 204 in Antriebsverbindi'ng bringbar. Wenn also die Kupplung 202 entregt wird und dafür die Kupplung 204 erregt wird, treibt der Motor über beide Zahnriemen sowohl die Spindel 180 als auch die Mutter 184 an. Es versteht sich, daß in dieser Betriebsphase Mutter und Spindel genau gleiche Drehzahl haben müssen; deshalb sind die beiden Zahnriemenscheiben und die beiden Zahnriemenritzel jeweils identisch; es ist nicht möglich, mit einfachen Keilriemen zu arbeiten, weil dann aufgrund unvermeidlicher Toleranzen nach und nach eine Drehwinkeldifferenz zwischen Spindel und Mutter kumulieren würde, die entweder das Spannsystem lösen oder aber durch zu starke Spannung beschädigen würde.

F i g. 6 zeigt die Anwendung der Vorrichtung gemäß der Erfindung bei einem sogenannten »Vorderendfutter«, d. h. einer Bauart, bei der die Antriebsorgane für die Futterspannbacken auf der Futterseite der Spindel angeordnet sind.

An die Spindelnase 210 ist ein Zwischenträger 212 angeflanscht, an dessen der Spindel abgewandtem Ende der eigentliche Futterkörper 214 sitzt Es handelt sich hier um ein Dreibackenfutter mit radial bezüglich des Futterkörpers 214 geführten Spannbacken 216, deren Spannbewegung von je einem Zug-/Druckbolzen 218 über Winkelhebel 220 übertragen wird. Diese Konstruktion für ein Vorderendfutter ist an sich bekannt.

Die drei Bolzen 218 sind mit einem Widerlagerring 222 verschraubt, auf dem wälzgelagert und koaxial eine Hülse 224 angeordnet ist. Aufbau und Anordnung des Bremsaggregats 226 entsprechen im Prinzip der Ausbildung nach Fig. 1. Die Hülse 224 mit ihrem Wälzgewinde 228 kann sich über die Übertragungskörper — Wälzrollen 230 — auf dem Innengewinde 232 der Mutter 234

ίο abrollen und dabei einen Axialhub auf den Widerlagerring 222 und damit auf die Bolzen 218 übertragen. Die Mutter 234 ist fest mit dem Zwischenträger 212 und damit auch mit der Spindelnase 210 verbunden. Die Hülse 224 ist mit einem Zahnkranz 236 versehen, mit dem auf dem Umfang des Zwischenträgers 212 gelagerte Übertragungsritzel 238 kämmen, und diese ihrerseits kämmen mit der Innenverzahnung 240 eines Kupplungsringes 242. Mit dessen Außenzahnkranz 244 kann das Abtriebsritzel 246 des Spannraotors 248 in Wirkverbindung gebracht werden, wenn ein Spannvorgang durchzuführen ist; zu diesem Zweck ist der Motor radial bezüglich der Spindelachse in Richtung des Pfeiles 250 verfahrbar. Wenn der Motor auf diese Weise mit dem Kupplungsring 242 in Eingriff gebracht wird, muß zugleich die Spindel gegen Drehung gebremst werden. Hierfür ist ein Spindelarretiermagnet 252 vorgesehen, dessen Anker 253 bei Erregung als Sperrklinke in die Verzahnung 254 eines auf der Spindel sitzenden Zahnkranzes 255 einfällt

Ein besonderer Vorteil dieser Bauweise liegt darin, daß die Spindelbohrung voll für Stangenarbeiten genutzt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß der Wälzschraubteil neben der Umsetzung der Drehbewegung von Hülse 224 in eine Axialbewegung des Widerlagerringes 222 auch noch die Funktion einer Geradführung das für die Ableitung der Backenbewegungen vorzusehenden zentralen Körpers übernimmt was bei Vorderendfuttern wegen der kurzen Baulänge im allgemeinen schwierig ist

In den bisher behandelten Ausführungsformen wurden als Kraftspeicher Elastomerfedern eingesetzt Diese sind nur kompressionsbelastbar, so daß bei der Notwendigkeit in beiden Richtungen spannen zu müssen, zwei solcher Elastomerblöcke einzusetzen sind. Metallische Federn hingegen sind bei geeigneter Auslegung sowohl in Zug- als auch in Druckrichtung belastbar. Ein Ausführungsbeispiel mit einer metallischen iCraftspeicherfeder ist in der F i g. 6a im Längsschnitt dargestellt
Am hinteren Ende einer hohlen Spindel 300 sitzt als Verlängerung eine Traghülse 302, die als Träger für zwei relativ zueinander verschiebliche Baugruppen dient Die erste Baugruppe, deren Elemente fest miteinander verbunden sind, umfaßt Ringe 304 und 3Ö6, eine Wellrohrfeder 308 und die Wälzschraubtrieb-Mutter 310.

Die gesamte erste Baugruppe ist relativ drehbar bezüglich der Traghülse 302 und auf dieser mittels Kugellager 312 sowie mittels einer ersten Kugelführung 314 abgestützt; das Kugellager 312 bleibt axial fest bezüglieh der Spindeiachse, während das ihm abgewandte Ende der Wellrohrfeder 308 und die mit diesem verbundenen Bauteile längs der Spindelachse wandern können und deshalb eine Kugelführung als Abstützung benötigen.

Zu der zweiten Baugruppe gehören die Wälzschraubtrieb-Hülse 324 und das mit dieser verbundene Zug-Druck-Rohr 334. Die zweite Baugruppe ist mittels einer zweiten Kugelführung 326 auf der Innenseite der Trag-

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hülse 302 abgestützt, und zww· längsverschieblich rela- nen sind.

tiv zu dieser, während eine relative Drehbewegung zwi- Wie erläutert, läßt sich das Spannsystem in einen Re-

schen beiden durch sine als Mitnehmerkeil wirkende gelkreis integrieren, voa dem in Fig.7 und 8 je eine

Paßfeder 328 verhindert wird, welche in eine Längsnut Ausführungsform dargestellt sind. Der Regeleinrich-

der Hülse 324 greift 5 tung R wird die Führungsgröße w auf geschaltet, die ein

Die Wälzelemente des Wälzschraubtriebs 310/324 Maß für die am Zug-/Druckrohr bzw. -bolzen aufzusind hier Gewinderollen 332, im Eingriff mit dem Innen- bringende Spannkraft ist Die Regeleinrichtung R vergewinde 322 der Mutter 310 und dem Außengewinde gleicht die Führungsgröße mit der Regelgröße x_t, die 330 der Hülse 324. mittels eines Meßumformers MU in ein entsprechendes

Um eine Rotationsbewegung einleiten zu können, io Signal *, umgesetzt wird, und erzeugt eine entsprechenträgt der Ring 304 einen Zahnkranz 316; unerwünschte de Stellgröße y, mit der der Spannmotor M beaufschlagt Drehbewegungen verhindert ein Bremssystem, beste- wird, welcher seinerseits den Wälzschraubtrieb WS behend aus einem Bremsring 318, der sich an federvorge- tätigt Spannmotor M und Wälzschraubtrieb WS bilden spannte Stifte 320 legt gemeinsam die Regelstrecke SL Der Meßumformer kann

Bei stillstehender Spindel wird ein (nicht gezeichne- is die Spannkraft durch Erfassen der elastischen Deforma-

ier) Antrieb mit dem Zahnkranz 316 gekuppelt und tion irgendeines im Spannkraftfluß liegenden Gliedes

durch diesen die erstgenannte Baugruppe relativ zur erfassen, vorzugsweise der die Spannkraft speichernden

Traghülse 302 verdreht Durch die Wirkung des Wälz- Feder.

schraubtriebs bewegt sich dabei die Wälzschraubtrieb- In F i g. 8 ist zwischen den Meßumformer und die ReHülse 324 z. B. aus der hier gezeichneten linken Endlage 20 geleinrichtung noch ein Analog-Digital-Umsetzer genach rechts und nimmt dabei das Zug-Druck-Rohr 334 schaltet, der ein digitales Signal s_M2 abgibt für den Fall, mit Sobald das letztere abgebremst oder blockiert wird, daß die Regeleinrichtung und der Motor für digitalen etwa durch Auftreffen von durch das Rohr 334 betätig- Betrieb ausgelegt sind; es versteht sich, daß dann auch ten Spannbacken auf ein Werkstück, kann sich die Hülse die Führungspröß: w in digitaler Form vorliegt
324 nicht mehr weiterbewegen, und es beginnt nun die 25 F i g. 9 zeig. in Blockform die gesamte Steuerung für Mutter 310, sich längs des Wälzschraubtriebs in Axial- eine Drehmaschine, bei der für die zwei Koordinaten richtung, hier nach links, zu bewegen, wobei die Well- des Werkzeugkreuzschlittens die beiden Regelkreise rohrfeder 308 deformiert wird und somit als Spannkraft- »I« bzw. »II« und für das Spannsystem ein Regelkreis speicher wirkt Diese Wirkung tritt auch ein, wenn der »III« entsprechend F i g. 7 (oder F i g. 8) vorgesehen Spannvorgang in Gegenrichtung erfolgt, da die Well- 30 sind. Die Zentraleinheit ZE liefert in Abhängigkeit von rohrfeder sowohl bei Zug- als auch bei Druckbelastung einem eingegebenen Programm die drei Führungsgröals Kraftspeicher dienen kann. Die Messung der gespei- ßen w\, w», wm und steuert zugleich den zeitlichen Abcherten Kraft kann in analoger Weise zu der in F i g. 1 lauf der einzelnen Vorgänge einschließlich des Spindeldargestellten Anordnung erfolgen. antriebs SA.

Die Wellrohrfeder besteht aus einem Metall mit be- 35 Wenn das Spannsystem bei einer Werkzeugspindel kanntem Elastizitätsmodul und wird entsprechend einer etwa einer Bohr- oder Fräsmaschine eingesetzt wird, bei gewünschten Kraft-Weg-Charakteristik bemessen. Da- der mehr als zwei Koordinaten vorzugeben sind, wird bei ist es bevorzugt, eine ausgehärtete Aluminiumknet- die Anzahl der Regelkreise entsprechend vergrößert
legierung zu verwenden, da diese erstens ein hohes Es versteht sich, daß die von dem Meßumformer Streckgrenze-Zugkraft-Verhältnis besitzt und sich 40 MUm gelieferten Signale so ausgelegt sind, daß die einzweitsns leicht zerspanen läßt. Es versteht sich, daß die zelnen Regelkreise untereinander gleich sein können, in Hg.6a gezeichnete Profilform nur schematisch zu und zwar einschließlich der jeweiligen Motoren. Dies verstehen ist; in der Praxis wird man die innenliegenden vereinfacht den Aufbau, die Wartung und die Lagerhai-Kanten abrunden, um Kerbbelastungen abzubauen. Ein tung.

weiterer Vorteil der Verwendung von Aluminium ist die 45 Fig. 10 zeigt den zeitlichen Ablauf des Spannvor-

Verringerung der Masse und damit des Trägheitsmo- gangs. Über der Zeitachse (Abszisse) ist im oberen Teil

ments. Da außerdem die Abmessungen etwa im Ver- der Darstellung die Axialabmessung der Feder — z. B.

gleich mit Stahl größer sind, wirken sich Bearbeitungs- der Feder 52 in F i g. 1 oder 3 — aufgetragen, die ihrer-

toleranzen weniger stark aus. seits ein Maß für die Kompressionskraft und damit die

Aus der Erläuterung der Ausführungsbeispiele kann 50 Spannkraft ist wobei natürlich kleineren Axialabmesman erkennen, daß es zahlreiche Möglichkeiten der sungen größere Kräfte entsprechen und der Zusamkonstruktiven Gestaltung gibt; so kann die Mutter orts- menhang keineswegs linear zu sein braucht
fest bezüglich der Spindel sein, wobei dann die Hülse Im unteren Teil der Fig. 10 ist das zugehörige Absowohl die relative Dreh- als auch die relative Axialbe- triebsmoment des Spannmotors dargestellt
wegung ausführt (F i g. 6), es kann aber auch eines der 55 Zum Zeitpunkt t » 0 möge der Spannmotor anlaufen. Bauteile Hülse/Mutter nur drehbar gegenüber der Spin- Bis zum Kontakt der Spannbacken mit dem zu spannendel, das andeie nur axialverschieblich bezüglich der den Werkstück oder Werkzeug hat der Motor nur das Spindel sein (ein solches Ausführungsbeispiel ist nicht (geringe) Reibungsmoment mit seinem Anfangsdrehdaigestellt). In den Fi g. 1 bis 5 dagegen ist die Hülse moment MdA zu überwinden, und die Feder wird kaum ortsfest bezüglich der Spindel, während die Mutter so- 60 merklich gegenüber ihrer Nominaldicke & komprimiert, wohl Dreh- als auch Axialbewegungen bezüglich der Zum Zeitpunkt Q möge der Kontakt zwischen Spann-Spindel ausführt. backen und Werkstück oder Werkzeug erfolgen. Der

In den Figuren der Zeichnung sind vielfach einstückig Motor muß nun ein stark ansteigendes Drehmoment am

miteinander verbundene Bauteile so dargestellt, wie sie Wälzschraubtrieb aufbringen, und die Feder wird zu-

zweckmäßigerweise aus getrennten Komponenten zu- 65 nehmend komprimiert. Wenn die Axialabmessung der

sammengefügt werden, um die ganze Anordnung mon- Feder den Wert h erreicht hat, beträgt das Abtriebsmo-

tieren zu können. Wo dies nicht der Fall ist, versteht es ment des Motors Μάε, und man kann durch Eichung

sich für den Fachmann von selbst, wo die Teile zu tren- denjenigen Wert für Fe ermitteln, bei dem Μάε gerade

die gewünschte Spannkraft ergibt, wenn die Größe /e als Abschaltsignal verwendet werden solL Dies ist zu bevorzugen, da zwar die vom Motor aufgenommene und leicht meßbare elektrische Leistung ebenfalls ein Maß für MdE ist, aber doch noch die variablen Reibungsverluste und der Motorwirkungsgrad zu berücksichtigen sind.

Der obere Teil von F i g. 11 ist identisch mit dem oberen Teil von F i g. 10. Im unteren Teil ist hier jedoch der Verlauf der Motordrehzahl η aufgetragen. Zu dem Zeitpunkt, in welchem die Federkompression f_E erreicht ist, soll die Drehzahl des Motors genau /je = 0 sein. Um dies zu erreichen, kann man die Drehzahl »parallel« zu dem Maß / herunterfahren, wobei jeweils der »Restweg« /* zum Zeitpunkt te als Vorgabe für die Motordrehzahl n« der Maschinensteuerung zugeführt werden kann.

Fig. 12a und 12b unterscheiden sich nur durch die Ausbildung des eigentlichen Schraubtriebes. Fig. 12a zeigt einen Gleitschraubtrieb mit dem Flankendurchmesser »D« und der Steigung »/m, der als Flachgewinde ausgebildet ist, wobei die (hier nur beispielsweise hohle) »Hülse« 273 und die »Mutter« 270 ein rechteckiges Gewindeprofil aufweisen.

Bei der Aufbringung eines Drehmoments Md wird hier eine Axialkraft F„ erzeugt, welche an das Zug-/Druckrohr 277 weitergeleitet *nrd. Um das Zug-/Druckrohr lediglich eine Axialverschiebung ohne Rotation durchführen zu lassen, ist zwischen Hülse und Zug-/Druckrohr ein Axial-Kugellager eingebaut, bestehend aus dem Hülsen-Flansch 274, den Kugeln 275 und dem Lager-Außenring 276. Der Lager-Außenring trägt außerdem einen Bolzen 278 mit Laufrolle 279, welche in einer Nut 280 der Mutter 270 abwälzen kann, wodurch eine Verdrehung des Lager-Außenringes relativ zur Mutter 270 verhindert wird.

Fig. 12b zeigt einen Wälzschraubtrieb mit der (hier nur beispielsweise hohl ausgeführten) »Hülse« 271, der »Mutter« 270, sowie den »Ubertragungskörpern« 272. Der Wälzschraubtrieb ist im gezeigten Beispiel als Kugelschraubtrieb ausgebildet Hierbei sind die Übertragungskörper 272 Kugeln, welche auf einem Wälzdurchmesser »D« in sphärisch geformten Nuten laufen, welche wendelförmig und mit gleicher Steigung »Λ« auf dem Außenzylinder der Hülse 271 und in dem Innenzylinder der Mutter 270 mit großer Präzision eingebracht sind. Bei einer Rotation der Hülse relativ zur Mutter wälzen sich die Kugeln zwischen der Innennut und Außennut ab, während gleichzeitig eine axiale Verschiebung von Mutter und Hülse relativ zueinander erfolgt. Drehmoment Md und Axialkraft F, sind dabei über die

Formel Md- verbunden.

Bei der Umwandlung des Drehmoments in eine Axialkraft ist dabei ein sehr geringes Reib-Drehmoment aufzubringen, welches in der Größenordnung eines Axial-Wälzlagers mit dem Wälz-Durchmesser »D« liegt Das geringe Reib-Drehmoment ist dabei durch den Abwälzvorgang der Kugeln bedingt

Der in F i g. 12b gezeigte Kugelschraubtrieb stellt nur eine von mehreren möglichen Ausführungsformen der Wälzschraubtriebe dar. Eine weitere Ausführungsform ist z. B. de Rollenschraubtrieb. Hierbei werden die wendeiförmigen, sphärisch ausgebildeten Nuten ersetzt durch Gewinderillen mit dreieckigem Gewindeprofil, und die Kugeln werden ersetzt durch mit Außengewinde versehene Rollen. Auch hier übertragen die Rollen die Kräfte zwischen Hülse und Mutter mit einer Abwälzbewegung mit einem ebenfalls sehr hohen Wirkungsgrad.

Bei Kugelschraubtrieben nach Fig. 12b, bei denen eine größere axiale Verlagerung der Hülse 271 durchgeführt werden muß, ist eine Kugelrückführung üblich, welche in Fig. 12b nicht dargestellt ist, weil dort die Durchführung lediglich kleinerer axialer Verlagerungen angenommen wird, bei denen eine Kugelrückführung nicht vorgesehen zu werden braucht

Hierzu 12 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Erzeugen einer axialen Betätigungskraft für das radiale Verstellen der Spannbak- ken von Kraftspannfuttern zum Spannen von Werkzeugen und Werkstücken in oder an zum Umlauf antreibbaren Arbeitsspir.deln während deren Stillstands, umfassend einen Motor, dessen Antriebsmoment über einen mit der Arbeitsspindel mitumlau- fenden Schraubtrieb in die axiale Betätigungskraft umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Schraubtrieb als Wälzschraubtrieb (32—40; 228-232; 310-324-332) ausgebildet ist und daß eine mitumlaufende Bewegungssperre (68—74; 122-126; 144-150; 226;318) zum Verhindern einer Entspannbewegung infolge Massenkräften oder Spannkraftrückwirkung vorgesehen ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem einen Stator und einen Rotor aufweisenden Motor, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (118; 138) des Motors (31,170,190,248) stationär angeordnet ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Motor (31,170,190, 248) stationär angeordnet und mit dem Wälzschraubtrieb (32-40; 228-232) kuppelbar ist

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine mechanische Kupplung (88/76; 112/76; 194:244/246).

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine elektromagnetische Kupplung (F i g. 3).

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (138) des Motors, sein Rotor (131) und die Arbeitsspindel (26) koaxial zueinander angeordnet sind (F i g. 3).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (131) zugleich als Mutter des Wälzschraubtriebs (38) ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zwischen Motor und WSlzschraubtrieb vorgesehenes Untersetzungsgetriebe (88/76).

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wälzschraubtrieb als Rollenschraubtrieb (38, 230, 332) ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wälzschraubtrieb als Differentialschraubtrieb ausgebildet ist (F i g. 2).

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungssperre (126,148) schaltbar ist.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wälzschraubtrieb ein mitumlaufender Kraftspeicher (52,308) zugeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet daß der Kraftspeicher als Feder (52, 308) ausgebildet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder als metallische, vor- eo zugsweise aus einer ausgehärteten Aluminiumlegierung bestehende Wellrohrfeder (308) ausgebildet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder als Elastomerfeder (52) ausgebildet ist.

16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch ein Meßorgan (100—106) für die Spannkraft.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet daß mindestens ein Teil (94) des Meßorgans mitumlaufend ausgebildet ist

18. Vorrichtung nach den Ansprüchen 12 und 16, dadurch gekennzeichnet daß der Kraftspeicher ein elastisch deformierbares Element (52, 308) umfaßt, bei dem der Deformationsweg eine bekannte Funktion der gespeicherten Kraft ist und daß das Meßorgan (100—106) für die Erfassung des Deformationsweges ausgebildet ist

19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, bei der die axiale Betätigungskraft auf ein Zug-/Druckrohr ausgeübt wird, dadurch gekennzeichnet daß die Position des Zug-/Druckrohres (30) relativ zur Arbeitsspindel (26) abtastbar ist

20. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß der Wälzschraubtrieb in einen Futterkörper integriert ist (F i g. 6).

21. Vorrichtung nach Anspruch 20 für ein Vorderendfutter einer Drehmaschine, bei dem axialgeführte Bolzen für die Betätigung je einer Spannbacke vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet daß das relativ zur Arbeitsspindel axialbewegliche Element (224) des Wälzschraubtriebs mit den Bolzen (218) verbunden und mittels des Wälzgewindes geradgeführt ist (F i g. 6).

22. Vorrichtung nach Anspruch 3 für eine Maschine mit mehreren achsparallelen Arbeitsspindeln, dadurch gekennzeichnet daß nur ein Motor vorgesehen ist, der mit den Wälzschraubtrieben der Arbeitsspindeln gesteuert in Wirkverbindung bringbar ist (F ig. 4).

23. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Antriebsmotor für die Arbeitsspindel während des Spindelstillstands als den Wälzschraubtrieb antreibender Motor ankuppelbar ist (F ig. 5).

24. Verwendung der Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 23 bei hohlen Arbeitsspindeln.

25. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der von dem Meßorgan gelieferte Meßwert mit einem vorgebbaren Sollwert verglichen wird und der Motor entsprechend dem Ergebnis des Vergleichs hinsichtlich der Spannkraft geregelt wird, die das von ihm erzeugte Abtriebsmoment aufbaut.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Kraft-Weg-Umformers die Kraftmeßgröße in eine Wegmeßgröße umgeformt wird und daß die Drehzahl des Motors bis zum Erreichen eines der gewünschten Spannkraft entsprechendes Weges in Abhängigkeit von dem verbleibenden Rest-Meßweg vermindert wird.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß sie Teil einer aus Standardkomponenten für Regler und Motoren aufgebauten NC-Steuerung ist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß als Kraft-Weg-Umformer eine Feder vorgesehen ist, die vorzugsweise zugleich als Spannkraftspeicher dient.