DE8422283U1 - Einrichtung zur ueberwachung des antriebsdrehmoments an einer spindel - Google Patents

Description

Einrichtung zur Überwachung des Antriebsdrehmoments an einer Spindel

Die Neuerung betrifft eine Einrichtung zur Überwachung des Antriebsdrehmomentes für drehangetriebene Spindeln, wobei jede Spindel in einem Gehäuse drehbar gelagert ist und ein drehfest und unverschiebbar angeordnetes Zahnrad aufweist und wobei mindestens eine Lagerstelle je Spindel mindestens .auch Axialkraftkomponenten überträgt.

Drehangetriebene Spindeln der oben beschriebenen Art sind beipielsweise gebräuchlich bei Mehrspindelköpfen, beispielsweise zum Gewindeschneiden. Ein typisches Beispiel eines solchen Mehrspindelkopfes zeigt DIN 69001, Teil 1, Seite 6, Bild 4. Die Schnittdarstellung nach dieser Norm ist in de Zeichnungen als Figur 5 enthalten. Mehrspindelköpfe dieser Art haben sich durchaus bewährt. Eine Überwachung des Antriebsdrehmomentes ist jedoch bei diesen Konstruktionen nicht vorgesehen, währe jedoch sehr erwünscht, weil bei einer solchen Überwachung z. B. bemerkt würde, wenn ein Gewindebohrer mit einem zu großen Drehmoment belastet würde, der zum Bruch des Gewindebohrers und damit zum Ausschuß des Werkstückes führen muß. Eine solch unangenehme Folge könnte rechtzeitig verhindert werden. Um dieses gewünschte Ergebnis zu erreichen, hat man schon versucht, zwischen Antriebsspindel und Werkzeug drehmomentbegrenzende Kupplungen einzusetzen. Dies Kupplungen sind gedoch einerseits nicht ausreichend funktionssicher und lassen andererseits nicht erkennen, daß sie angesprochen haben, so daß vom Mehrspindelkopf die übliche Antriebsleistung erbracht und der programmierte Arbeitsschritt durchgeführt wird, in Wirklichkeit wegen des Durchrutschens der drehmomentbegrenzenden Kupplung der Gewindebohrer das Gewinde im Werkstück nicht oder nicht fertig geschnitten hat, so daß

auch in diesem Fall ein Ausschußwerkstück vorliegt, dessen mangelnde Qualität jedoch erst in der Montage entdeckt wird. Gleiches gilt für die nachfolgenden Werkstücke, da der Fehler ja unenfdeckt bleibt.

Es ist weiterhin mit der DE-AS 23 57 659 ein Vorschubantrieb für den Bettschlitten einer Werkzeugmaschine bekannt geworden, bei dem der Antrieb auf beiden Seiten des Bettschlittens über Zahnrad/Zahnstange erfolgt, wobei beide Zahoräder über eine gemeinsame Antriebswelle angetrieben werden und wobei die Zahnräder und die Ritzel der gemeinsamen Antriebswelle entgegengesetzt schräg verzahnt sind. Infolge der entgegengesetzt gerichteten Verzahnung, kann die gemeinsame Antriebswelle bei Auftreten von Spiel sich soweit axial verschieben, daß das auftretende Spiel vollständig verschwindet und der Antrieb absolut spielfrei erfolgt. Es muß sich somit um jeweils paarweise ' zugeordnete Zahnräder handeln, die entgegengesetzt gerichtet schräg verzahnt sind, so daß die aus der Verzahnung herrührenden Axialkräfte sich gegenseitig aufheben. Eine äußere Axialkraft entsteht dann nicht.

Der -Neuerung liegt ausgehend von einer Einrichtung der eingangs beschriebenen Art die Aufgabe zugrunde, daß Antriebsdrehmoment an solchen drehangetriebenen Spindeln, und zwar an jeder Spindel, unabhängig von jeder anderen Spindel, zuverlässig zu überwachen.

Neuerungsgemäß ist diese Aufagbe bei einer Einrichtung der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß das auf einer Spindel angeordnete Zahnrad schräg verzahnt ist, mit einem Steigungswinkel größer als der Selbsthemmungswinkel und daß mindestens die die Axialkraftkomponenten übertragende Lagerstelle an einem in Richtung der Axialkraftkomponente unverschieblich angeordneten

Verformungselement anliegt, wobei das Verformungselement, auf seiner Außenfläche in sich diametral gegenüberliegender Anordnung Verformungsmeßelemente aufweist, von denen daß eine in Richtung der erwarteten Verformung empfindlich und das andere in dieser Richtung unempfindlich ist, wobei beide Verformungsmeßelemente mit einer Auswerteinrichtung verbunden sind. Bei solchen schräg verzahnten Zahnrädern erzeugt die aus dem Antriebsdrehmoment herrührende Umfangskraft (Fu) eine axialgerichtete Kraft (Fa), deren Resultierende die Normale (Fn) ist. Damit mindestens der Axialkomponente nicht von der Reibung das Gleichgewicht gehalten wird, ist zwingend erforderlich, daß der Steigungswinkel der Schrägverzahnung größer als der Selbsthemmungswinkel ist.

Die auftretende axiale Kraftkomponente muß in den zugeordneten Lagerstellen aufgenommen werden und sorgt dort für eine Verformung, wobei diese Verformung von den sich verformenden Lagerteilen an die die Lagerteile umgebenden Bauelemente mindescens teilweise weitergereicht und dort über Verformungsmeßelemente gemessen werden kann. Da die Größe der axialen Kraftkomponente von der Größe des Drehmomentes abhängt, und die Größe der Verformung der sich verformenden Bauelemente von der Größe der Axialkraftkomponente abhängt, liegt mit der gemessenen Verformung ein Wert vor, der abhängig ist vom Antriebsdrehmoment, so daß mit diesem Wert stetig das Antriebsdrehmoment, überwacht werden kann. Hierzu ist es vorteilhafterweise nicht erforderlich, irgendwelche verändernden Eingriffe an den serienmäßigen Lagerbauteilen vorzunehmen. Damit kann deren Präzision und Lebensdauer beibehalten werden und es kann eine erhebliche Verteuerung solcher Bauteile vermieden werden. Die vorgeschlagenen Maßnahmen erlauben es sogar beispielsweise bereits bestehende Mehrspindelköpfe von der Art nach der oben angegebenen DIN-Norm nachzurüsten.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Neuerung ist vorgesehen, daß die Verformungsmeßelemente als an sich bekannte Dehnmeßstreifen ausgebildet sind. Solche Dehnmeßstreifen sind funktionssicher, einfach in der Anwendung und ausreichend klein in ihrer Baugröße.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Neuerung, bei welcher die Lagerstelle als Lagerelement ein handelsübliches Radialnadellager in Baueinheit mit einem Schrägschulterlager aufweist ist noch vorgesehen, daß das Lagerelement in einer dünnwandigen Büchse angeordnet und in Wirkrichtung der Axialkraftkomponente abgestützt ist, daß die Büchse in einer zugeordneten Gehäusebohrung angeordnet und ebenfalls in Wirkrichtung der Axialkraftkomponente abgestützt ist und im Bereich des Schrägschulterlagers auf der Außenfläche in diametral gegenüberliegender Anordnung zwei Abflachungen aufweist, auf welchen die Verformungsmeßelemente angeordnet sind. Dies ist eine sehr einfache Bauart, mit der es problemlos möglich wird, insbesondere die bereits vorhandenen Mehrspindelköpfe nachzurüsten. Gleichzeitig ist hier mit einfachsten Mitteln höchste Funktionssicherheit erreicht.

Es ist noch nach einer weiteren Ausgestaltung der Neuerung vorgesehen, daß die drehangetriebene Spindel eine Zwischenwelle ist. Da die Zwischenwelle ebenfalls die beschriebene Schrägverzahnung aufweist, wirkt auch auf sie eine Axialkraftkomponente, allerdings in umgekehrter Richtung. Auch an der Zwischenwelle ist damit die aus der Axialkraftkomponente herrührende Verformung der Lagerelemente meßbar und damit auswertbar.

Schließlich ist nach einer Ausgestaltung der Neuerung noch vorgesehen, daß ein weiteres Paar Verformungsmeßelemente in der beschriebenen Relation zueinander, jedoch

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gegenüber dem ersten Paar um etwa 90° um die Drehachse geschwenkt angeordnet, vorgesehen ist. Auf diese Art und Weise kann bei Bedarf die Empfindlichkeit der gesamten Einrichtung gesteigert werden. Außerdem gelingt eine gegenseitige Überwachung, so daß eine sehr sichere Funktionskontrolle möglich ist.

Die Neuerung soll nun anhand der beigefügten Zeichnungen, die ein Ausführungsbeispiel zeigen, näher beschrieben werden.

Es zeigen:

Figur 1 Einzelheit Z nach Figur 5 in
neuerungsgemäßer Weise ergänzt.

Figur 2 Ansicht in Richtung des Pfeils Y
nach Figur 1

Figur 3 Schnitt A-B nach Figur 1

Figur 4 Ansicht in Richtung des Pfeils X
nach Figur 1

Figur 5 ■ Mehrspindelkopf in Schnittdarstellung, Konstruktion nach DIN
69001, Teil 1, Seite 6, Bild 4

Die neuerungsgemäße Konstruktion soll anhand eines Mehrspindelkopfes nach Bild 4, Seite 6, DIN 69001, Teil 1 beschrieben werden. Mehrspindelköpfe dieser Art (siehe Figur 5) können z. B. mehrere Spindeln aufweisen, die eingesetzt werden um Gewinde mit einem Gewindebohrer in eine entsprechende Werkstuckbohrung zu schneiden. Hierzu werden die Spindeln, beispielsweise die Spindel 10' nach Figur 5 in einem Gehäuse 16 drehbar und axial ver-

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schiebbar gelagert. Damit die Spindel 10' bei ihrer Drehbewegung den notwendigen Axialvorschub macht, wirkt sie zusammen mit einer Leitmutter 17, die bei einer Drehung der Spindel 10' für den notwendigen Axialvorschub sorgt. Die Spindel 10^l ist dann über eine Vielkeilwelle mit einer entsprechenden Pohrung der Spindel 10 verbunden, so daß die Spindel 10 die Spindel 10' drehantreiben kann und sich die Spindel 10' gleichzeitig axial verschieben kann.

Auf der Spindel 10 drehfest und axial unverschiebbar angeordnet, ist ein Zahnrad 11, daß eine Schrägverzahnung aufweist, mit einem Steigungswinkel ßo größer als der Selbsthemmungswinkel. Mit diesem schräg verzahnten Zahnrad 11 kämmen in bekannter Weise auf Zwischenwellen angeordnete Zwischenräder oder auch Antriebsräder. Der Drehantrieb ist hierbei abgeleitet von einem gemeinsamen Antriebsmotor 18 (Figur 5).

An ihrem oberen Wellenende ist die Spindel 10 in üblicher Weise gelagert. Am anderen Wellenende ist die Spindel in einem handelsüblichen Lagerelement 1 gelagert, das ausgebildet ist als Radialnadellager in Baueinheit mit einem Schrägschulterlager, wobei das Nadellager Radialkräfte und das Schrägschulterlager zusätzlich axiale Kraftkomponenten aufnimmt, so daß eine resultierende Kraft R am Schrägschulterlager entsteht. Ein Bund 19 an der Welle 10 leitet hierbei axiale Kraftkomponenten in den inneren Lagerring des Lagerelementes 1 ein. Das Radialnadellager 2 läßt hierbei eine Verschiebung dieses inneren Lagerringes in axialer Richtung zu. Das Schrägschulterlager 3 hingegen verhindert eine Verschiebung dieses Innenringes und stützt die entsprechende Kraft über das Wälzelement schräg gegen die entsprechende Schulter des Außenringes ab, so daß die erwähnte resultierende R auftritt. Damit sich nun der Außenring

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des Lagerelementes 1 nicht entsprechend axial verschiebt, ist dieser an einer Schuler 20 einer dünnwandigen Büchse U in axialer Richtung abgestützt. Die erwähnte dünnwandige Büchse U dient hierbei gleichzeitig als Lagerbüchse für das Lagerelement 1. Sie ist in einer Gehäusebohrung 4 des Gehäuses 16 angeordnet. Ein Kragen 21 .der Büchse U sorgt dafür, daß auch die Büchse U in axialer Richtung sich am Gehäuse 16 abstützen kann.

Die Büchse U weist auf ihrer Außenfläche im Breich der Schulter 20 in sich diametral gegenüberliegender Anordnung jeweils ein Abflachung 5 und 6 auf, wobei auf jeder der genannten Abflachungen ein Dehnmeßstreifen 7 und 8 als Verformungsmeßelement angeordnet ist. Hierbei ist ein Dehnmeßstreifen so angeordnet, daß er in der erwarteten Verformungsrichtung unempfindlich ist, während der zweite Dehnmeßstreifen so angeordnet ist, daß er in der erwarteten Verformungsrichtung empfindlich ist. Beide Dehnmeßstreifen 7 und 8 sind mit ihren elektrischen Anschlüssen 13 und 14 mit einer Auswerteinrichtunp, 12 verbunden. In der Auswerteinrichtung 12 wird die auftretende Verformung festgestellt und über einen Rechner das zugehörige Antriebsdrehmoment ermittelt. Zur Steigerung der Meßempfindlichkeit ist es noch denkbar» mindestens ein weiteres Paar Verformungsmeßelemente an der Büchse U vorzusehen. Dieses weitere Paar müßte dann wieder auf entsprechenden Abflachungen angeordnet sein und müßte vorteilhafterweise gegenüber dem beschriebenen Paar um 90° um die Drehachse 15 geschwenkt angeordnet vorgesehen" sein. Dadurch daß bei jedem Paar der Verformungsmeßelemente ein Verformungsmeßelement so angeordnet ist, daß es in der erwarteten Verformungsrichtung unempfindlich ist, kann auf einfache Art und Weise ein Driften der ganzen Meßeinrichtung, beispielsweise aufgrund von Temperatureinflüssen an der Lagerstelle, verhindert werden. Es kann immer das Verformungselement,

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daß in der erwarteten Verformungsrichtung unempfindlich ist, als Bezugspunkt benutzt werden.

Wird in an sich bekannter Weise über die Antriebszahnräder ein Drehmoment eingeleitet, so tritt aufgrund des Drehmomentes bei den schräg verzahnten Zähnen des Zahnrades 11 an den Flanken der Zähne die Normalkraft Fn auf, die die Resultierende aus der Umfangskomponente Fu und der Axialkomponente Fa darstellt. Aufgrund der wirksamen .Axialkraftkomponente Fa, die über das Schrägschulterlager 3 abgestützt wird, entsteht im Schrägschulterlager die resultierende Kraft R, die den Außenring des Lagerelementes verfonr.t. Diese Verformung wird weitergegeben an die dünnwandige Büchse U, die sich ebenfalls verformt. Die entsprechende Verformung der Büchse wird über die Verformungsmeßelemente ⁷,8 registriert. Entsprechende Signale werden daher weitergeleitet an die Auswerteinrichtung 12, die der Größe dieser Signale nach bekannten Gesetzmäßigkeiten ein entsprechendes Antriebsdrehmoment zuordnet. Das solcherart festgestellte Antriebsdrehmoment kann nun mit einem vorgegebenen Sollwert oder Grenzwert verglichen werden, und es kann in Abhängigkeit vom Ergebnis dieses Vergleiches der gesamte Antrieb in gewünschter Weise beeinflußt werden.

Die beschriebene Meßmethode kann auch angewandt werden bei einer Zwischenwelle 9, wenn mindestens eine Lagerstelle dieser Zwischenwelle 9 in der beschriebenen Weise ausgestattet ist.

Mit der neuerungsgemäßen Konstruktion wird eine zuverlässige Drehmomentüberwachung erreicht, mit einfachsten Mitteln. Eingriffe und Umgestaltungen in Serienbauteile, wie z. B. Lagerelemente, können vermieden werden, so daß deren Kosten, Zuverlässigkeit, Präzision und Lagerhaltung, sowie deren Wiederbeschaffung als Ersatzteil

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nicht erschwert wird. Gleichzeitig kann zuverlässig festgestellt werden, ob ein Grenzdrehmoment erreicht oder überschritten wird·, oder ob der Drehmomentverlauf einem gewünschten Referenzverlauf entspricht. Das Überschreiten eines vorgegebenen Grenzdrehmomentes kann, da die Annäherung an die Grenze erkannt wird, verhindert werden.

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Liste der verwendeten Bezugszeichen

1 Lagerelement

2 ' Radialnadellager

3 Schulterlager

4 Gehäusebohrung

5 Abflachung

6 Abflachung

7 Verfoj?mungselement θ Verformungselement

9 Zwischenwelle

10 Spindel 10' Spindel

11 Zahnrad

12 Auswerteeinrichtung

13 elektrischer Anschluß

14 elektrischer Anschluß

15 Drehachse

16 Gehäuse

17 Leitmutter

18 Antriebsmotor

19 Bund

20 · Schulter

21 Kragen

U dünnwandige BUchse

Fn Flankennormalkraft

Fu . Umfangskomponente von Fn

Fa Axialkomponente von Fn

ο Zahnsteigungswinkel

Claims (1)

1. PATENTANWALT MANFRED 4JERMANW:,.,

   EUROPEAN PATENT ATTORNEY -··'··' '..' ' '·.* '· ZUGELASSENER VERTRETER BEIM EUROPAISCHEN PATENTAMT Düren - Josef-Schregel-StraBe 19

   Patentanwalt M. Uermann, Josef-Schregel-Str. 19, D-5160 DQren

   Einschreiben

   An das

   Deutsche Patentamt

   ZweibrUckenstraße

   Θ000 München

   Telefon (02421) 17446 Telegramme: Uerpatent Düren

   Postscheck KSIn 305715-500 (BLZ 370100 SO)

   Deutsche Bank AQ Düren 8110959 (BLZ 39570061)

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   Düren 25. Juli 1984

   GEB RAUCHSMUSTERAN MELDUNG

   Anmelder:

   Ingenieur G. Quednau

   Erzstraße

   Mechernich-Kommern

   Titel:

   "Einrichtung zur Überwachung des Antriebsdrehmoments an einer Spindel"

   Schutzanspruche:

   1. Einrichtung zur Überwachung des Antriebsdrehmomentes für Drehangetriebene Spindeln, wobei jede Spindel in einem Gehäuse drehbar gelagert ist und ein drehfest und unverschiebbar angeordnetes Zahnrad aufweist und wobei mindestens eine Lagerstelle je Spindel mindestens auch Axialkraftkomponenten

   überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß das auf einer Spindel (1Ö) angeordnete Zahnrad (11) schräg

   * , verzahnt ist, mit einem Steigungswinkel ( ß ),

   f dergrößer als der Selbsthemmungswinkel ist und daß

   .: ' mindestens die die Axialkraftkomponente (Fa) über-

   tragende Lagerstelle (3) an einem in Richtung der

   |; Axialkraftkomponente (Fa) unverschieblich ange-

   !'..■ ordneten Verformungselement (U) anliegt wobei daß

   Verformungselement (U) auf seiner Außenfläche in

   [ir sich diametral gegenüberliegender Anordnung Ver-

   Fr formungsmeßeiemente (7.8) aufweist, von dem daß

   eine in Richtung der erwarteten Verformung empfindlich und das andere in dieser Richtung

   ; unempfindlich ist, wobei beide Verformungsmeßele-

   P mente (7,8) mic einer Auswerteinrichtung (12)

   f verbunden sind.

   2. Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Verformungsmeßelemente (7,8) als an sich bekannte Dehnmeßstreifen ausgebildet sind.

   Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, bei welcher die Lagerstelle als Lagerelement ein handelsübliches Radialnadellager in Baueinheit mit einem rfchrägschulterlager aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerelement (Ij in einer dünnwandigen Büchse (U) angeordnet und in Wirk'richtung (Fa) der Axialkraftkomponente Abgestützt ist, daß die Büchse (U) in einer zugeordneten Gehäusebohrung (4) angeordnet und ebenfalls in Wirkrichtung (Fa) der Axailkraftkomponente abgestützt ist und im Bereich des Schrägschulterlagers (3) auf der Außenfläche in diametral gegenüberliegender Anordnung zwei Ab-

   flachungen (5,6) aufweist, auf welchen die Verformungsmeßelemente (7,8) angeordnet sind.

   4. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die drehangetriebene Spindel eine Zwischenwelle (9) ist.

   5. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß ein v/eiteres Paar. Verformungsmeßelemente in der beschriebenen Relation zueinander, jedoch gegenüber dem ersten Paar um etwa 90 ° um die Drehachse (15) geschwenkt angeordnet, vorgesehen ist.