DE60009608T2

DE60009608T2 - Elektrische Antriebsspindel

Info

Publication number: DE60009608T2
Application number: DE60009608T
Authority: DE
Inventors: Giancarlo Selci
Original assignee: H S D SpA; HSD SpA
Current assignee: H S D SpA; HSD SpA
Priority date: 1999-06-30
Filing date: 2000-06-26
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2020-06-27
Also published as: IT1309309B1; DE60009608D1; EP1066917A1; US6354776B1; EP1066917B1; ITBO990358A0; ATE263656T1; ITBO990358A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Antriebsspindel.
Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine elektrische Antriebsspindel der Art, die einen Elektromotor umfasst, der mit einer röhrenförmigen Ausgangswelle versehen ist, die eine Werkzeugträgerspindel definiert; mit der Spindel verbundene Befestigungsmittel, um ein Werkzeug axial auf der Spindel selbst zu befestigen; und eine Mehrzahl von Betätigungsmitteln, um die Spindel zum Rotieren um ihre eigene Achse und zum Verrücken des Befestigungsmittels in Bezug auf die Spindel zwischen einer Position, in welcher es das Werkzeug an der Spindel verriegelt, und einer Freigabeposition, anzutreiben.
Allgemein führen bekannte elektrische Antriebsspindeln der oben beschriebenen Art im Betrieb unterschiedliche Betriebsabläufe durch, deren Praktikabilität mit bestimmten Betriebsbedingungen des Werkzeugs selbst verbunden sind. Zum Beispiel muss das Verrücken des Befestigungsmittels in die Freigabeposition verhindert werden, wenn die Spindel in Bewegung ist. Folglich müssen für den Zweck des Garantierens des Betriebs bei völliger Sicherheit und Effizienz der elektrischen Antriebsspindel Betriebsparameter wie die verschiedenen Positionen der verschiedenen Elemente, welche das Befestigungsmittel bilden, und die Geschwindigkeit der Spindeldrehung kontinuierlich überwacht werden.
Im allgemeinen wird bei bekannten elektrischen Antriebsspindeln der oben beschriebenen Art die Überwachung der oben erwähnten Betriebsparameter mittels einer Mehrzahl von Sensoren (zumindest 4), normalerweise vom induktiven Typ, bewirkt, die auf der zugehörigen elektrischen Antriebsspindel montiert sind und deren axiale Position auf der Drehachse der Spindel manuell von außen eingestellt werden muss.
Weiterhin müssen, in Bezug darauf, dass die Abmessungen der Maschinen, auf denen die Antriebsspindeln installiert sind, innerhalb von vorgegebenen Werten gehalten werden müssen, die Antriebsspindeln selbst normalerweise in relativ kleinen Räumen angeordnet werden, auf die man jedoch notwendigerweise Zugriff von außen gewinnen können muss, um in der Lage zu sein, die Einstellungen an der Axialposition der Sensoren durchzuführen.
Aus der obigen Erklärung folgt, dass die bekannten Antriebsspindeln der oben beschriebenen Art relativ teuer sind, aufgrund der hohen Zahl von verwendeten Sensoren, und relativ komplex dahingehend, dass die Einstellvorgänge der induktiven Sensoren besonders kompliziert und zeitraubend gemacht sind, sowohl aufgrund ihrer hohen Anzahl als aufgrund der relativ engen Räume, in denen die Antriebsspindeln selbst untergebracht sind.
Dokument US 3,520,228 offenbart eine Antriebsspindel, die eine Werkzeugträgerspindel; einen Spannbolzen zum axialen Verriegeln eines Werkzeugs auf der Spindel; eine Mehrzahl von Betätigungsmitteln zum Antreiben der Spindel zum Rotieren um ihre Achse und zum Betätigen des Spannbolzens zwischen einer das Werkzeug auf der Spindel verriegelnden Position und einer Freigabeposition, und das Betätigungsmittel steuernde Steuerungsmittel umfasst.
Der Spannbolzen ist ein bewegbares Element, das betreibbar ist, um sowohl mit der Spindel um ihre Achse zu rotieren und relativ zur Spindel zwischen der Verriegelungsposition und der Freigabeposition zu rotieren, und das Steuerungsmittel umfasst einen einzelnen Sensor, der in der Lage ist, die Winkelposition des Spannbolzens und damit der Spindel zu detektieren.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Antriebsspindel, die frei von den oben erklärten Nachteilen ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Antriebsspindel bereitgestellt, wie in Anspruch 1 beansprucht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der oben definierten Antriebsspindel umfasst das Befestigungsmittel ein mit der Spindel um die Achse drehbares Griffelement, das betreibbar ist, um mit einem Schaft des Werkzeugs in Eingriff zu kommen, und die Betätigungsmittel umfassen erste Betätigungsmittel zum Antreiben der Spindel zum Rotieren um die Achse und zweite Betätigungsmittel zum Verrücken des Griffelements zwischen der Verriegelungsposition und der Freigabeposition ; wobei das Referenzelement einen Teil der zweiten Betätigungsmittel bildet.
Insbesondere umfasst vorzugsweise das erste Betätigungsmittel einen mit einer röhrenförmigen Ausgangswelle versehenen Elektromotor, welche koaxial zur Achse ist und die Spindel definiert; wobei das Referenzelement einen mit dem Griffelement verbundenen und in der röhrenförmigen Welle zur Rotation mit ihr aufgenommenen Stützstab umfasst; wobei der Stab in axial verschieblicher Weise mit der röhrenförmigen Welle gekoppelt ist, um das Griffelement zwischen der Verriegelungsposition und der Freigabeposition zu verrücken.
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, welche in Axialschnitt ein nicht beschränkendes Ausführungsbeispiel derselben illustriert.
Unter Bezugnahme auf 1 bezeichnet allgemein das Bezugszeichen 1 eine Antriebsspindel, die ein röhrenförmiges äußeres Gehäuse 2 umfasst, das in sich einen elektrischen Motor 3 bekannter Art behaust, der einen auf eine röhrenförmige Ausgangswelle 4 aufgepassten Rotor 3a umfasst, deren freier Endabschnitt eine Drehwerkzeugträgerspindel 5 definiert, die in Bezug auf das Gehäuse 2 drehbar ist und mittels der Interposition der Rollelementlager 6 um ihre eigene Längsachse 7 drehbar ist.
Die Spindel 5 ragt teilweise aus dem Gehäuse 2 heraus und weist einen Sitz 8 (im spezifischen Beispiel einen Kegelsitz) auf, der in der Lage ist, einen Schaft 9 eines zugehörigen Werkzeugs 10 bekannter Art aufzunehmen und zu zentrieren.
Die Antriebsspindel 1 beinhaltet weiterhin eine Befestigungsvorrichtung 11, die wiederum ein Griffelement 12 umfasst, das in der Lage ist, in Eingriff mit dem Werkzeugschaft 9 zu kommen und eine Betätigungsvorrichtung 13, die in der Lage ist, das Griffelement 12 selbst zwischen einer Verriegelungsposition (wie in der Zeichnung gezeigt) des Werkzeugs 10 auf der Spindel 5 und einer Freigabeposition (nicht illustriert) zu verrücken.
Die Betätigungsvorrichtung 13 beinhaltet einen im wesentlichen zylindrischen Stab 14, der im Schaft 4 koaxial zur Achse 7 untergebracht ist und der in einer winkelmäßig fixierten und axial verschieblichen Weise am Schaft 4 selbst angekoppelt ist. Der Stab 4 trägt das Griffelement 12 verbunden, an seinem Ende 15 zum Sitz 8 der Spindel 5 weisend, die eine in solcher Weise gekoppelte Nabe 16 umfasst, dass sie axial und winkelmäßig mit dem Ende 15 selbst verbunden ist, und eine Mehrzahl von Armen 17 (von denen in der beigefügten Figur nur 2 sichtbar sind), die gleichförmig um die Achse 7 beabstandet sind, axial von der Nabe 16 zum Sitz 8 vorragen und jede mit einer entsprechenden Verriegelungskugel 18 versehen sind, die innerhalb eines zugehörigen radialen Sitzes 19 aufgenommen ist, der durch ein freies Ende des zugehörigen Arms 17 hindurchgeht.
Jeder Sitz 19 ist in solcher Weise geformt, dass der zugehörigen Kugel 18 gestattet wird, transvers zur Achse 7 verrückt zu werden, wenn der Stab 14 und damit das Griffelement 12 in einer Weise verrückt werden, die nachfolgend besser beschrieben wird, in einer Verrückrichtung A parallel zur Achse 7 zwischen der Verriegelungs- und der Freigabeposition.
Die Betätigungsvorrichtung 13 enthält weiterhin ein Paar Federn 20 koaxial zur Achse 7, die in Reihe zueinander angeordnet sind und zwischen dem Stab 14 und der Welle 4 angeordnet sind, um den Stab 14 selbst und damit das Griffelement 12 in ihre Verriegelungsposition zu verrücken und normalerweise dort zu halten.
Die Betätigungsvorrichtung 13 enthält schließlich einen Betätigungszylinder 21, der im röhrenförmigen Gehäuse 2 auf der der Spindel 5 gegenüberliegenden Seite und in einer zum Elektromotor 3 koaxialen Position untergebracht ist, der mit einem pneumatischen Betätigungskolben 22 versehen ist, der gleitbar in einem Loch 23 koaxial zur Achse 7 montiert ist und im Betätigungszylinder 21 selbst definiert ist.
Der Kolben 22 umfasst eine im wesentlichen zylindrische Glocke 24, die koaxial zur Achse 7 ist, an einem Ende durch eine Bodenband 25 geschlossen ist, die im wesentlichen orthogonal zur Achse 7 selbst ist und in axial verschiebbarer Weise durch ein Ende des Stabs 14 gegenüber dem Ende 15 in Eingriff ist. Der Kolben 22 beinhaltet weiter zwei im wesentlichen zylindrische Platten 27, die fest mit den gegenüber liegenden Enden der Glocke 24 verbunden sind und orthogonal zur Achse 7 angeordnet sind.
Wenn der Stab 14 und das Griffelement 12 unter dem Schub der Federn 20 in ihren Verriegelungspositionen angeordnet sind, ist der Kolben 22 in einer Ruheposition angeordnet, in welcher; um dem Stab 14 zu gestatten, sich um die Achse 7 zu drehen, ohne auf dem Kolben 22 selbst zu gleiten, die Bodenwand 25 der Glocke 24 mittels zumindest einer Feder 28 in einem gegebenen Abstand von dem Ende 26 des Stabs 14 gehalten wird, die parallel zur Achse 7 liegt und zwischen einer der Platten 27 und dem Betätigungszylinder 21 eingefügt ist.
Der Kolben 22 ist unter dem Schub einer pneumatischen Vorrichtung 29 bekannter Art und gegen den Schub der Federn 20 und 28 von der Ruheposition zu einer Betriebsposition (nicht illustriert) bewegbar, bei der die Bodenwand 25 der Glocke 24 in Kontakt mit dem Ende 26 des Stabs 14 angeordnet ist, um den Stab 14 selbst und das Griffelement 12 in ihre Freigabeposition zu verrücken.
Im Betrieb, wenn kein Werkzeug 10 mit Sitz 8 der Spindel 5 ist, sind der Stab 14 und der Kolben 22 des Betätigungszylinders 21 normalerweise unter dem Schub der Federn 20 und 28 in ihrer Verriegelungsposition bzw. der Ruheposition angeordnet. Unter diesen Bedingungen ist die Antriebsspindel 1 verrückt, um es dem Sitz 8 zu gestatten, durch den Schaft 9 eines zu greifenden Werkzeugs 10 in Eingriff zu sein; gleichzeitig wird die pneumatische Vorrichtung 29 aktiviert, um das axiale Verrücken des Kolbens 22 zu verursachen und daher wird der Stab 14 folgend, welche der Kolben 22 in seiner Betriebsposition angeordnet ist und der Stab 14 gemeinsam mit dem Griffelement 12 in der Freigabeposition angeordnet sind.
Während des Verrückens des Stabs 14 aus seiner Verriegelungsposition in seine Freigabeposition greifen die Kugeln 18 des Griffelements 12 dadurch, dass sie quer zur Achse 7 versetzt werden, in einen ringförmigen Hohlraum 30 ein, der auf einer inneren Oberfläche der Spindel 5 in solcher Weise ausgebildet ist, dass sie um einen Abstand voneinander verrückt werden, der sich mit einem Überschuss dem Durchmesser eines Endes 31 des Schwanzes 9 des zu greifenden Werkzeugs 10 annähert und gestattet den Armen 17 des Griffelements 12, in Eingriff mit dem Ende 31 selbst zu kommen.
An diesem Punkt wird die pneumatische Vorrichtung 29 deaktiviert und der Kolben 22 und der Stab 14 werden wieder unter dem Schub der Federn 20 und 28 in ihre Ruhe- bzw. Verriegelungsposition verrückt. Während des Verrückens des Stabs 14 aus seiner Freigabeposition zu seiner Verriegelungsposition kommen die Kugeln 18 aus dem ringförmigen Hohlraum 30 heraus und werden um einen Abstand voneinander angeordnet, der sich dem Durchmesser des Endes 31 des Schwanzes 9 nähert und daher dem Griffelement 12 gestatten, in Eingriff mit dem Ende 31 selbst zu kommen und den Schwanz 9 vollständig in das Innere des zugehörigen Sitzes 8 zu ziehen.
Offensichtlich kann ein auf der Antriebsspindel 1 montiertes Werkzeug 10 mittels einer Abfolge von Vorgängen, die vollständig den oben beschriebenen ähneln, freigegeben werden.
Aus der obigen Beschreibung ist evident, dass der Stab 14 in solcher Weise ausgebildet und angeordnet ist, dass er als Referenzelement zum Detektieren der axialen und/oder Winkelposition in Bezug auf die Achse 7 des beweglichen Elements des Elektromotors 3 und der Betätigungsvorrichtung 13 angesehen werden kann, d.h. der Positionen der Spindel 5 und des Kolbens 22. In dieser Hinsicht wird die axiale und Winkelposition des Stabs 14 in Bezug auf die Achse 7 mittels einer Überwachungsvorrichtung 32 detektiert, die einen einzelnen optischen Sensor 33 umfasst, insbesondere einen von einem linearen CCD-Feld gebildeten Sensor, d.h. einen durch eine Reihe von CCD-Sensoren parallel zur Achse 7 selbst gebildeten optischen Sensor.
Der Sensor 33 ist in einem Betätigungszylinder 21 in einer Position untergebracht, die zu einem Schlitz 34 weist, der durch die Glocke 24 des Kolbens 21 hindurch ausgebildet ist, sich parallel zur Achse 7 erstreckt und wiederum einem Teil 35 des Endes 26 des Stabs 14 gegenüber liegt, der sich vom Schaft 4 heraus erstreckt. Für den Zweck des Sendens von Detektorsignalen der Winkelposition bzw. der axialen Position des Stabs 14 in Bezug auf die Achse 7 zum Sensor 33 weist der Teil 34 zwei flache Reflexionsflächen 36 auf, die in diametral gegenüber liegenden Positionen auf dem Teil 35 selbst angeordnet sind bzw. zwei Sätze ringförmiger Oberflächen 37 und 38, von welchen die Oberflächen 37 auf der äußeren Oberfläche des Teils 35 definierte reflektierende Oberflächen sind und die Oberflächen 38 mit den Oberflächen 37 abwechselnde opake Oberflächen sind und jede durch die Oberfläche einer ringförmigen Rille 39 definiert sind, die auf der äußeren Oberfläche des Teils 35 selbst ausgebildet sind.
Der Sensor 33 ist mittels eines Verbindungskabels, das sich durch den Betätigungszylinder 21 und das Gehäuse 2 erstreckt, mit einem Steuerungspaneel 41 bekannter Art verbunden, das außerhalb des Gehäuses 2 selbst angeordnet ist und dem Sensor 33 gestattet, elektronisch mittels der zwei axialen Grenzpositionen des Stabs 14 kalibriert zu werden.
Die Verwendung des optischen Sensors 33 in der Antriebsspindel 1 stellt daher verschiedene Vorteile in Bezug auf Antriebsspindeln der bekannten Art bereit, von denen der größte in einer signifikanten Kostenminderung der Antriebsspindel 1 selbst besteht, aufgrund der Verwendung eines einzelnen optischen Sensors 33 anstelle der Mehrzahl von Induktionssensoren, die bislang verwendet wurden. Ein weiterer Vorteil der Antriebsspindel wird darüber hinaus durch die Tatsache repräsentiert, dass die Einstellung und Kalibrierung des optischen Sensors 33 dahingehend beachtlich einfacher ist, dass es elektronisch durch direktes Handeln am Steuerungspaneel 41, das außerhalb des Gehäuses 2 angeordnet ist, bewirkt werden kann.

Claims

Antriebsspindel, umfassend: eine Werkzeugträgerspindel (5); Befestigungsmittel (12) zum axialen Verriegeln eines Werkzeugs (10) auf der Spindel (5) und eine Mehrzahl von Betätigungsmitteln (3, 13) zum Antreiben der Spindel (5) zum Rotieren um ihre Achse (7) und zum Betätigen der Befestigungsmittel (12) zwischen einer das Werkzeug (10) auf der Spindel (5) verriegelnden Position und einer Freigabeposition; wobei jedes Betätigungsmittel (3, 13) zumindest ein bewegbares Element (5, 14, 22) umfasst, das in der Lage ist, seine axiale und/oder Winkelposition in Bezug auf die Achse (7) zu variieren; und die Betätigungsmittel (3, 13) steuernde Steuermittel (32); wobei zumindest eines der bewegbaren Elemente (14) ein Referenzelement (14) ist, das in solch einer Weise ausgebildet und angeordnet ist, dass es ein Detektor für die axiale und/oder Winkelposition aller anderen bewegbaren Elemente (5, 22) ist; das Referenzelement (14) ein bewegbares Element (14) ist, das zum Durchführen erster Verrückungen betreibbar ist; die aus einer Rotation mit der Spindel (5) um die Achse bestehen; die Überwachungsmittel (32) einen einzelnen Sensor (33) umfassen, der in der Lage ist, die ersten Verrückungen zu detektieren; und dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzelement (14) zum Durchführen der zweiten Verrückungen relativ zur Spindel (5) in einer Verrückrichtung (A) parallel zur Achse (7) betreibbar ist; wobei der Sensor (33) zum Detektieren der zweiten Verrückungen und einer vom Referenzelement (14) längs der Achse (7) angenommenen Position betreibbar ist.
Antriebsspindel gemäß Anspruch 1, bei welcher der Sensor (33) ein optischer Sensor (33) ist, der eine Mehrzahl von in einer zur Achse (7) parallelen und einem Teil (35) des Referenzelements (14) zugewandten Reihe angeordneten CCD-Sensoren umfasst.
Antriebsspindel gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Befestigungsmittel (12) ein Griffelement (12) umfassen, das mit der Spindel (5) um die Achse (7) rotierbar ist, und in der Lage ist, in Eingriff mit einem Schaft (9) des Werkzeugs (10) zu kommen, und die Betätigungsmittel (3, 13) erste Betätigungsmittel (3) zum Antreiben der Spindel (5) zum Rotieren um die Achse und zweite Betätigungsmittel (13) zum Verrücken des Griffelements (12) zwischen der Verriegelungsposition und der Freigabeposition umfassen; wobei das Referenzelement (14) einen Teil der zweiten Betätigungsmittel (13) bildet.
Antriebsspindel gemäß Anspruch 3, bei welcher das erste Betätigungsmittel (3) einen mit einer röhrenförmigen Ausgangswelle (4) versehenen Elektromotor (3) umfasst, welche koaxial mit der Achse (7) ist und die Spindel (5) definiert; wobei das Referenzelement (14) einen mit dem Griffelement (12) verbundenen und in der röhrenförmigen Welle (4) zur Rotation mit ihr aufgenommenen Stützstab (14) umfasst; wobei der Stab (14) in axial verschieblicher Weise mit der röhrenförmigen Welle (4) gekoppelt ist, um das Griffelement (12) zwischen der Verriegelungsposition und der Freigabeposition zu verrücken.
Antriebsspindel gemäß Anspruch 4, bei welcher die zweiten Betätigungsmittel (13) weiterhin erste Schubmittel (20), die auf den Stab (14) einwirken zum Verrücken des Griffelements (12) aus der Freigabeposition in die Verriegelungsposition, und zweite auf den Stab (14) einwirkende Schubmittel (21) zum Verrücken des Griffelements (12) aus der Verriegelungsposition in die Freigabeposition umfassen.
Antriebsspindel gemäß Anspruch 5, bei welcher das erste Schubmittel (20) ein nachgiebiges Schubmittel ist, das betreibbar ist, um das Griffelement (12) normal in der Verriegelungsposition zu halten.
Antriebsspindel gemäß Anspruch 5 oder 6, bei der das erste Schubmittel (20) zumindest eine mit der Achse (7) koaxiale und zwischen der röhrenförmigen Welle (4) und dem Stab (14) eingefügte Feder (20) umfasst und die zweiten Schubmittel (21) einen Betätigungszylinder (21) umfassen, in dem ein Kolben (22) parallel zur Achse (7) bewegbar ist, um axiales Verrücken des Stabs (14) zu verursachen.
Antriebsspindel gemäß Anspruch 7, bei der der Kolben (22) einen mit der Achse (7) koaxialen röhrenförmigen Körper (24) umfasst; wobei der Stab (14) einen sich von der Spindel (5) weg und innerhalb des röhrenförmigen Körpers (24) erstreckenden Endteil (26) aufweist.
Antriebsspindel gemäß Anspruch 8, bei der das Endteil (26) eine im wesentlichen zylindrische Form aufweist und erste, durch eine Abfolge von ersten ringförmigen reflektierenden Oberflächen (37) und einer Reihe von zweiten opaken ringförmigen Oberflächen (38), die mit den ersten ringförmigen reflektierenden Oberflächen (37) alternieren, definierte Reflektormittel (37, 38) beinhaltet; wobei der Sensor (33) zum Endteil (26) des Stabs (14) weist.
Antriebsspindel gemäß Anspruch 9, bei der das Endteil (26) zweite durch zwei flache Flächen (36), die in diametral entgegengesetzten Positionen am Endteil (26) selbst angeordnet sind, definierte Reflektormittel (36) enthält.
Antriebsspindel gemäß Anspruch 10, bei der ein Schlitz (34) axial durch den Kolben (22) am Endteil (26) des Stabs (14) ausgebildet ist, um die ersten (37, 38) und zweiten (36) Reflektormittel für den optischen Sensor (33) sichtbar zu machen.
Antriebsspindel gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Referenzelement (14) zwei axiale Grenzpositionen aufweist; die Antriebsspindel weiterhin ein röhrenförmiges äußeres Gehäuse (2) und Reguliermittel (41) zum Kalibrieren des Sensors (33) vermittels der zwei axialen Grenzpositionen beinhaltet; wobei die Reguliermittel (41) elektronische, außerhalb des röhrenförmigen Gehäuses (2) angeordnete Reguliermittel (41) sind.