DE3322566C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gewindespindel-Antrieb für Werkzeug- oder Werkstückschlitten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Wenn für einen Arbeitsvorgang lineare Bewegungen erforderlich sind, so wird dies vor allem bei Werkzeugmaschinen in der Praxis dadurch verwirklicht, daß man das Werkzeug oder das Werkstück auf einem in Bahnen geführten Schlitten aufspannt und diesen mit einer Gewindespindel antreibt. Die Antriebsbewegung ist heute bis hin zu numerischer, vorprogrammierter Steuerung mehr oder weniger automatisiert. Trotzdem kann es aufgrund von Aufspannfehlern, Programmierfehlern usw. zu unbeabsichtigten Kollisionen zwischen ruhenden und bewegten Teilen (z. B. Schlitten-Maschinenrahmen Werkstück-Werkzeug etc.) kommen. Bei einer solchen Kollision werden meist mehrere beteiligte Glieder des Kraftflusses, zumindest aber das schwächste, beschädigt oder zerstört; die Folgekosten sind erheblich.

Es werden deshalb - wie allgemein bekannt - Sicherheitskupplungen zwischen Antriebsmotor und Spindel angebracht. Ihr Ausrückmoment wird so eingestellt, daß die für den Bearbeitungsvorgang notwendigen Kräfte zwar übertragen werden, bei den im - ungewollten und unvorhergesehenen - Kollisionsfall auftretenden noch größeren Kräften die Sicherheitskupplung jedoch die Verbindung zwischen Motor und Spindel (oder Getriebe) trennt. Leider liefern bei dieser Anordnung die auf der Spindelseite des Kraft- bzw. Drehmomentflusses verbleibenden Teile der Sicherheitskupplung, eventuell vorhandene Getriebe, die Spindel und die Spindelmutter mit ihrer Bewegungsenergie einen erheblichen Anteil der Kollisionsenergie.

Es wurde deshalb schon vorgeschlagen, die Trennstelle weiter in Richtung Kollisionspunkt zu verlegen, zum Beispiel zwischen Spindelmutter und Schlitten, um im Kollisionsfalle sofort soviel Bewegungsenergie wie möglich auszurücken, vgl. z. B. DE-Z. Werkstatt und Betrieb, 1982, H. 9, S. 575 bis 577.

Diese bekannten Ausführung haben jedoch zwei wesentliche Nachteile. So muß die Spindel umgehend zum Stillstand gebracht werden, weil es sonst nach Überlaufen des Kollisionspunktes innerhalb der Sichheitseinrichtung zu Sekundärkollisionen kommt. Auch hat weder bei der federkraftbelasteten Ausführung noch bei der hydraulikkraftbelasteten Ausführung aufgrund der Fertigungstoleranzen und vor allem wegen der Anbringung von Flanschen an beiden Seiten die Mutter eine auf Mikrometer genaue axiale Position, siehe Bild 1, das einen Auszug aus der genannten Zeitschrift darstellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem gattungsgemäßen Antrieb den Vorteil beizubehalten, daß die Trennstelle zwischen Antrieb und Abtrieb so weit wie irgend möglich in Richtung Kollisionspunkt verschoben wird, dabei jedoch die Nachteile der bekannten Ausführungen auszuschalten, so daß es auch bei nicht rechtzeitigem Stillstand der Spindel nicht zu Sekundärkollisionen innerhalb der Sicherheitseinrichtung kommt.

Diese Aufgabe ist in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen gemäß der Erfindung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen im Rahmen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 6.

In der folgenden Beschreibung wird die Erfindung beispielshaft anhand der schematischen Bilder 2 bis 6 der Zeichnung erläutert.

Bild 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Spindel-Antrieb im eingerückten Zustand, d. h. im Betriebszustand. In diesem Zustand verläuft der Kraftfluß von der Spindel (1) über eine Spindelmutter (2) in eine mit dieser verschraubte Spindelmutterfassung (3) und von dort über einen Spreizring (8) in ein mit einem Schlitten (9) verschraubtes Gehäuse (7).

Der Spreizring (8) ist ein Ausführungsbeispiel für radial bewegliche Formstücke, siehe auch Bild 5.

Der Überlastschutz funktioniert im Kollisionsfall in dieser Anordnung auf folgende Weise:

Überschreitet die Gegenkraft am Schlitten (9) bei rotierender Spindel (1) ein vorher festgelegtes Maß, so drückt die Nut des Gehäuses (7) den Spreizring (8) in die Nut zwischen der Spindelmutterfassung (3) und einem Gleitring (5) gegen die Kraft einer Feder (4). Sobald der Spreizring (8) die Nut des Gehäuses (7) verlassen hat, ist der Kraftfluß von der Spindel (1) zum Schlitten (9) unterbrochen.

Die Spindel (1) kann nun die Spindelmutter (2) samt Spindelmutterfassung (3), Spreizring (8), Gleitring (5), Feder (4) und Nutmutter (6) aus dem Gehäuse (7) hinausschieben.

Diese Schiebebewegung wird in dieser Anordnung nicht durch Schubkraft-Begrenzungselemente eingeschränkt, sondern lediglich durch die Spindellänge.

Die Kraft der Feder (4) kann mit Hilfe der Nutmutter (6) eingestellt werden. Legt man den Arbeitsbereich der Tellerfeder außerhalb des in DIN 2092 dargestellten Bereiches, so kann man bei zweckmäßiger Gestaltung der Tellerfeder während des Ausrückvorganges eine abnehmende Tellerfederkraft erreichen, siehe Bild 6. Hierbei liegt der Arbeitsbereich der Tellerfeder zwischen

Um beim Wiedereinrücken die gleiche Position zu erreichen wie vor dem Ausrücken, muß sichergestellt werden, daß sich die Spindelmutterfassung (3) nicht gegenüber dem Gehäuse (7) verdreht. Dafür geeignete Konstruktionen, wie z. B. Paßfeder - Paßfedernut, federverspannt, oder andere gleitende Verdrehsicherungen sind allgemein Stand der Technik, weshalb sich eine separate Darstellung erübrigt.

Bild 2 zeigt deutlich, daß ein Wiedereinrücken der Sicherheits- Spindelmutter (2) durch Drehrichtungsumkehr der Spindel (1) selbst dann auch ohne Schwierigkeiten möglich ist, wenn alle vorgenannten Teile (2), (3), (8), (5), (4) und (6) völlig aus dem Gehäuse (7) hinausgeschoben wurden. Man braucht z. B. nur - wie in Bild 2 erkennbar - an beiden Enden des Gehäuses (7) die Bohrungen mit einem entsprechend konischen Einlauf zu versehen.

Für den Überlastschutz kann man als radial bewegtes Formstück statt des Spreizrings (8) auch andere Bauelemente einsetzen, z. B. Kugeln (16) und (17) gemäß Bild 3. Die Kugelanordnung ist zugleich ein Beispiel dafür, daß ohne Verwendung einer speziellen Federkennlinie ein Abnehmen der Kraft während des Ausrückvorganges auch dadurch erreicht werden kann, daß man die Kraftübertragungselemente entsprechend anordnet.

Will man statt mit Formstücken den Schlitten (9) zur Spindelmuter (2) mit Hilfe von Planflächen axial positionieren, so ist die aus der DE-Z. Werkstatt und Betrieb, 1982, H. 9, S. 575 bis 577 bekannte und im Bild 1 der vorliegenden Zeichnung schematisch dargestellte Anordnung mit Planflächen auf beiden Seiten der Mütter ungünstig. Um diese Anordnung axial spielfrei zu halten, müßten nämlich auch bei äußeren Temperatureinflüssen die Längen der Spindelmutter (2) und des Gehäuses (7) immer absolut gleich bleiben. Es wird deshalb erfindungsgemäß vorgeschlagen, nur an einer Seite der Mutter Planflächen zu verwenden.

Im Beispiel von Bild 3 ist die Spindelmutterfassung (3) mit der Spindelmutter (2) und das Gehäuse (7) mit dem Schlitten (9) verschraubt. Die Planflächen (10) dieser beiden Teile werden mit Federkraft gegen die Planflächen (10) eines Anschlagrings (11) verpreßt. In dem Anschlagring (11) sind mehrere Axialbohrungen (12) angebracht, in die jeweils eine Kugel (13), eine Feder (14) und eine Schraube (15) eingebracht sind. Diese federnde Anordnung drückt auf je zwei weitere Kugeln (16) und (17), die sich in radialen Bohrungen befinden. Das Herausfallen dieser Kugeln (16) und (17) wird dadurch verhindert, daß die äußeren Ränder der radialen Bohrungen mit einem entsprechenden Werkzeug verengt werden.

Wird die Bewegung der gesamten Einheit von links nach rechts durch zu hohe Kräfte am Schlitten (9) behindert, so nimmt die Spindelmutterfassung (3) den Anschlagring (11) formschlüssig mit, und die schräge Fläche am Gehäuse (7) preßt die äußeren Kugeln (16) gegen die Federkräfte in die radialen Bohrungen. Die Spindelmutter (2) kann sich nun ungehindert nach rechts weiterbewegen. Das Wiedereinrücken der Spindelmutter (2) durch Drehrichtungsumkehr der Spindel (1) ist ohne Schwierigkeiten möglich, da das Gehäuse (7) eine konische Einlauffläche hat.

Bei der Bewegung von rechts nach links gemäß Bild 3 verbleibt der Anschlagring (11) beim Gehäuse (7) und die Schräge der Spindelmutterfassung (3) drückt die inneren Kugeln (17) gegen die Federkräfte in die radialen Bohrungen. Das Wiedereinrücken ist auch hier problemlos, weil die Spindelmutterfassung (3) auch eine konische Einlauffläche hat.

Zum Aufeinanderpressen der Planflächen (10) kann man statt federelastischer Bauelemente natürlich auch pneumatisch oder hydraulisch erzeugte Drücke benutzen. Dazu braucht man z. B. in Bild 3 die Federn (14) nur durch Kolben zu ersetzen und entsprechende Zuleitungen anzubringen.

Eine weitere Möglichkeit, um die Planflächen (10) aufeinander zu pressen, besteht darin, hierfür elektro- oder permanent-magnetische Felder einzusetzen. Ein Ausführungsbeispiel zeigt Bild 4. Die Funktion dieser Sicherheitseinrichtung ist die gleiche wie bei der mechanischen Lösung gemäß Bild 3. Wird die Bewegung der Einheit von links nach rechts durch zu hohe Kräfte am Schlitten (9) behindert, so nimmt nach Überschreiten der Magnetkraft die Spindelmutterfassung (3) den Anschlagring (11) formschlüssig mit. Die Weiterbewegung der Spindelmutter (2) einschließlich der Spindelmutterfassung (3) und des Anschlagrings (11) kann unbehindert erfolgen. Bei Drehrichtungsumkehr legt sich der Anschlagring (11) wieder an die Planfläche (10) des Gehäuses (7) an. Beim Ausrücken in Gegenrichtung trennt sich die Verbindung zwischen Anschlagring (11) und Spindelmutterfassung (3). Der Anschlagring (11) verbleibt bis zum Wiedereinrücken beim Gehäuse (17).

Wesentlich bei der permanent- oder elektro-magnetischen Ausführung ist natürlich nur, daß Anschlagring (11), Spindelmutterfassung (3) und Gehäuse (7) über ihre Planfläche (10) einen magnetischen Kreis (18) schließen. Die Quelle des Magnetfeldes (permanent oder elektrisch) kann im Anschlagring (11) oder in der Spindelmutterfassung (3) oder im Gehäuse (7) untergebracht werden.

Claims (6)

1. Gewindespindel-Antrieb für Werkzeug- oder Werkstückschlitten, der in beiden Drehrichtungen beim Überschreiten eines einstellbar oder fest vorgegebenen Schubkraftwertes den Kraftfluß zwischen der Spindelmutter (2) und dem von dieser angetriebenen Schlitten (9) unterbricht, indem sich die feder-, hydraulik-, pneumatik- oder magnetkraftbelastete, formschlüssige Verbindung zwischen der Spindelmutter (2) und dem Schlitten (9) löst und die Spindelmutter (2) sich dann relativ zum Schlitten (9) axial bewegen kann, und bei dem sich bei Umkehr der Spindeldrehrichtung die formschlüssige Verbindung zwischen der Spindelmutter (2) und dem Schlitten (9) in der Ausgangsposition selbsttätig wiederherstellt, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Unterbrechung des Kraftflusses die Axialbewegung der Spindelmutter (2) relativ zum Schlitten (9) nicht durch Schubkraft- Begrenzungselemente eingeschränkt ist.

2. Gewindespindel-Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Planflächen (10) eines Endes einer mit der Spindelmutter (2) verschraubten Spindelmutterfassung (3) und eines mit dem Schlitten (9) verschraubten Gehäuses (7) und die eines Anschlagringes (11) durch die Kraft von Federn (14) aufeinander gepreßt werden, wodurch der Schlitten (9) bis zum Überschreiten des vorgegebenen Schubkraftwertes eine genaue, reproduzierbare, axiale Stellung relativ zur Spindelmutter (2) einnimmt.

3. Gewindespindel-Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Planflächen (10) eines Endes einer mit der Spindelmutter (2) verschraubten Spindelmutterfassung (3) und eines mit dem Schlitten (9) verschraubten Gehäuses (7) und die eines Anschlagringes (11) durch hydraulische oder pneumatische Kräfte aufeinander gepreßt werden, wodurch der Schlitten (9) bis zum Überschreiten des vorgegebenen Schubkraftwertes eine genaue, reproduzierbare, axiale Stellung relativ zur Spindelmutter (2) einnimmt.

4. Gewindespindel-Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Planflächen (10) eines Endes einer mit der Spindelmutter (2) verschraubten Spindelmutterfassung (3) und eines mit dem Schlitten (9) verschraubten Gehäuses (7) und die eines Anschlagringes (11) durch die Kraft eines elektro- oder permanent-magnetischen Feldes aufeinander gepreßt werden, wodurch der Schlitten (9) bis zum Überschreiten des vorgegebenen Schubkraftwertes eine genaue, reproduzierbare, axiale Stellung relativ zur Spindelmutter (2) einnimmt.

5. Gewindespindel-Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraft, welche die formschlüssige Verbindung zwischen Spindelmutter (2) und Schlitten (9) belastet, eine degressive Kennlinie hat, also nach dem Überschreiten des vorgegebenen Schubkraftwertes abfällt.

6. Gewindespindel-Antrieb nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die formschlüssige Verbindung zwischen Spindelmutter (2) und dem Schlitten (9) durch federbelastete, radial bewegliche Formstücke (Spreizring 8; Kugeln 16, 17) hergestellt wird.