WO2018172160A1 - Maschinenspindelanordnung für eine werkzeugmaschine - Google Patents

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WO2018172160A1
WO2018172160A1 PCT/EP2018/056428 EP2018056428W WO2018172160A1 WO 2018172160 A1 WO2018172160 A1 WO 2018172160A1 EP 2018056428 W EP2018056428 W EP 2018056428W WO 2018172160 A1 WO2018172160 A1 WO 2018172160A1
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machine
rotor
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spindle assembly
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PCT/EP2018/056428
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Thomas Dorn
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Gebrueder Heller Maschinenfabrik GmbH
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Gebrueder Heller Maschinenfabrik GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B29/00—Holders for non-rotary cutting tools; Boring bars or boring heads; Accessories for tool holders
    • B23B29/03—Boring heads
    • B23B29/034—Boring heads with tools moving radially, e.g. for making chamfers or undercuttings
    • B23B29/03432—Boring heads with tools moving radially, e.g. for making chamfers or undercuttings radially adjustable during manufacturing
    • B23B29/03489—Adjustment means not specified or not covered by the groups B23B29/03435 - B23B29/03478
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q1/00—Members which are comprised in the general build-up of a form of machine, particularly relatively large fixed members
    • B23Q1/25—Movable or adjustable work or tool supports
    • B23Q1/26—Movable or adjustable work or tool supports characterised by constructional features relating to the co-operation of relatively movable members; Means for preventing relative movement of such members
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B2260/00—Details of constructional elements
    • B23B2260/11—Planetary drives

Definitions

  • the invention relates to a Maschinenspindelanord ⁇ tion for a machine tool, said Maschinenspin ⁇ delan extract comprises a spindle with replaceable spindle insert, a motor and a Planzuganiser and optionally other functional groups and assemblies.
  • Machine tools in particular for cutting workpiece machining, typically have at least one spindle which is adapted to receive a tool.
  • Serve for this purpose usually taper shank tool holders into which a tool or a tool holder is used to guide the tool relative to a workpiece in space and to perform defined movements, such as rotational movements.
  • the drive is a motor whose rotor is drivingly connected to the spindle.
  • these components are mounted on a carriage, which is preferably guided li ⁇ near movable in at least one direction to guide the rotationally driven tool along a predetermined path.
  • Such a machine spindle assembly is structurally combined with the machine tool and part thereof.
  • Typi cally ⁇ the spindle bearing on the slide is arranged, which also supports the motor.
  • the structure is reasonably expansive. This is especially true when the work spindle is provided with a Planzug Rhein.
  • Planzug Anlagenen are known to operate tools, as for example DE 44 21 583 AI are to be taken.
  • the facing head illustrated therein is substantially cylindrical and has protruding, radially movable tools on the end face. To move the same serves an axially movable, guided in the spindle control rod.
  • the machine spindle assembly comprises a motor with a rotatably mounted rotor and a stator, wherein the rotor rotatably ver ver ⁇ connected with the spindle and thus as a direct drive for the spindle serves.
  • the spindle is rotatably gela ⁇ Gert in a spindle neck, which is flanged to the stator of the motor.
  • ⁇ sondere is provided no other function module between the spindle neck and the engine so that a particular ⁇ DERS rigid vibration-proof design of the spindle neck and thus a rigid, low-vibration mounting of the spindle is provided.
  • the spindle and the rotatably coupled with this rotor have an axial passage through which a Planzugwelle extends, which is arranged concentrically to the spin ⁇ del and the rotor.
  • an axially slidably held release sleeve can extend through the passage, which surrounds the Planzugwelle and serves for holding and releasing a tool in the tool holder of the spindle.
  • This release sleeve can be non-rotatably connected to the rotor verbun ⁇ to perform no relative rotation with respect to this.
  • the machine spindle assembly has in the spindle neck on an axial bearing contact surface, which is associated with an axial Po ⁇ sitionier Chemistry the spindle insert.
  • the axial positioning and the spindle contact surface are coordinated so that the axial positioning of the spindle insert can be effected independently of the copy with high accuracy. This means that all wearing parts, confining ⁇ Lich warehouse, tool holder, the tool holder before ⁇ handener elements, such as clamping elements, springs and derglei ⁇ chen, replaced simply.
  • the spindle bearing means preferably comprises at least one Axiallagerkomponente and at least one Ra ⁇ diallagerkomponente. To the Axiallagerkomponente part of the axial positioning surface, which finds its facility and position in the mounted condition on the bearing contact surface of the spindle ⁇ neck.
  • the rotor has a rotor bearing device, which is designed in particular as a radial bearing device. Axial forces originating from the tool and the tool workpiece engagement are absorbed by the bearing of the spindle insert and preferably not transmitted to the rotor by the spindle.
  • a positive coupling for example, ⁇ a hemspielarme toothed coupling, is provided which allows an axial relative movement between the rotor and spindle insert.
  • a positive switchable coupling device may be provided which is adapted to either the Planzugwelle and the rotor positively rotationally coupled or release a relative rotation.
  • the coupling device can be engaged and disengaged, for example, via an axial movement of the planing shaft. In the coupled state, a fully synchronous rotation of the spindle insert and the planing shaft is ensured.
  • the machine spindle assembly so far forms a prefabricated unit that can be connected as a whole with a machine slide or detached from it.
  • the motor includes a connecting ⁇ surface for radial and axial mounting of the machine spindle assembly on the machine carriage.
  • the spindle neck can have a shoulder surface for radial support on the machine slide, for example in order to introduce machining forces directly into the machine slide.
  • the Abstüt z Chemistry may be a peripheral surface of the spindle neck.
  • FIG. 1 shows a machine tool, in a schematic simplified representation, 2 shows the machine spindle of the machine tool according to FIG. 1, in a schematic partially sectioned illustration,
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of components of the machine spindle according to FIG. 2.
  • a machine tool 10 is illustrated ⁇ light, which is used for machining of workpieces 11.
  • ⁇ light which is used for machining of workpieces 11.
  • the symbolically illustrated in Figure 1 by a rectangle workpiece 11 is clamped on a workpiece table 12 which is fixed or movable carried by a machine frame 13.
  • the workpiece table 12 can be arranged to be movable in a linear and / or rotational manner in each case about one or more horizontal and / or vertical axes.
  • a spindle head is shown as a tool 15, which has at least ei ⁇ ne radially adjustable blade 16.
  • the radial adjustability is illustrated in FIG. 1 by an arrow oriented radially to the axis of rotation 17.
  • the machine spindle 14 is adapted to rotate the tool 15 and the cutting edge 16, if necessary ge ⁇ aims to adjust radially.
  • Other tools with Radi ⁇ alver ein of grinding or cutting elements can be absorbed by the machine spindle 14th
  • the machine spindle 14 is supported by a carriage 18, which together with the machine spindle 14 further elements, such as a motor 19, a Malawiö ⁇ sevorraum 20 and / or an angular gear 21 gehö ⁇ ren, as illustrated in Figure 2 is.
  • the spindle 14, the motor 19, the tool release device 20 and the Winkelstellgetriebe 21 form a machine spindle assembly which forms a self-assembly 22.
  • the assembly 22 has a connection surface 23, which is preferably arranged on the outer circumference of the motor 20. The surface preferably extends around the motor 19 around which it may be continuous or discontinuous forms ⁇ out.
  • the pad 23 may be a Zylin ⁇ der simulation or a surface which follows a different cross-section such as a polygonal cross-section. It serves for the radial and axial fixation of the assembly 22, wherein the carriage 18 to the Anschlußflä ⁇ che 23 has a corresponding seat 24. Due to the fixed mounting and mounting of the motor 19 on its connection surface 23, the entire assembly formed by the machine spindle assembly 22 is firmly held.
  • the carriage 18 may have a tubular extension 25 or another holder, which receives a portion of the machine spindle 14 and supports it in radial ⁇ direction.
  • the machine spindle 14 may have a support surface 26, which is formed by a section of the peripheral surface of the machine spindle 14.
  • the machine spindle assembly 22 has, as a central and supporting element, the motor 19, which comprises a stator 27 and a rotor 28.
  • the motor 19 may be formed as a synchronous motor, asynchronous motor, DC motor or other electric motor, wherein it is set up with respect to power, speed and torque to the drive of the tool 15 without intermediate gear (gearless direct drive).
  • the rotor 28 has a preferably by rolling bearings on end-side end shields 29, 30 mounted hollow shaft 31 which is gekop ⁇ pelt at its in the working space and thus the tool 15 side facing a spindle 32.
  • the spindle 32 and the hollow shaft 31 are both arranged concentrically to the same axis of rotation 17.
  • any suitable coupling agent can be used, which causes a rotationally fixed coupling and at the same time at least ge ⁇ rings, radial and / or axial compensating movements allowed, such as spur gears, splines or the like.
  • the spindle 32 is hollow and has at ih ⁇ ren of the motor 19 facing away end a Wegauf ⁇ acquisition 33, which is suitable, for example, for receiving Hohl ⁇ shank cones or other standardized tool connections or connections of tool holders.
  • a release rod 34 which is tubular and extends through both the hollow shaft 31 of the rotor 28 as well as through the spindle 32.
  • the release bar 34 which can also be seen in particular from FIG. 3, carries connecting means in the area of the tool holder 33 for coupling to a corresponding coupling structure of the tool or of the tool holder.
  • spring means the release rod 34 is resiliently biased in the direction of the tool holder 33 away. To release the tool, the release bar 34 is moved by the tool release device 20 in the direction of the tool ( Figure 2 to the left).
  • the spindle 32 is rotatably supported by a plurality of bearings, in particular rolling bearings, in a spindle neck 35. This is firmly bolted to the stator 27 of the engine.
  • the spindle collar 35 includes a disk flange directly to the werkschwmaschineseiti- ge end side of the motor 19, which is formed in the embodiment by the end plate 29 or the stator 27 from another ⁇ closing structure.
  • the spindle 32 forms together with at least two bearings 36, 37 and optionally further connected to the spindle 32 parts of a spindle insert, which can be replaced as wear part, for example, bearing wear or Ver ⁇ wear of the tool holder 33 as a whole.
  • the spindle neck 35 ei ⁇ ne axial bearing abutment surface 38 which may be formed, for example, by an annular, planar, formed on a step of the inner für ⁇ gang of the spindle neck 35 surface.
  • the bearing surface 38 serves for the axial Anla ⁇ ge of the bearing 37, which may be the Axiallagerkomponente the entire of the bearings 36, 37 bearing means.
  • the axial bearing abutment surface 38 is associated with an axial Po ⁇ sitionier Chemistry 39, which is formed directly on the bearing 37 or on Beilag- or Justierringen, which can be angeord ⁇ net between the bearing 37 and the bearing surface 38.
  • a rotationally fixed coupling device 40 is arranged on ⁇ , for example, by interlocking
  • Spur teeth of the spindle 32 and the hollow shaft 31 may be formed.
  • This coupling device 40 permits slight axial and / or radial relative movements, so that the axial position of the spindle 32 is determined solely by the positioning surface 39 and the axial abutment surface 38.
  • the tube-like release rod 34 which is axially movable, but preferably it is rotatably connected to the hollow shaft 31 and / or the spindle 32 extends.
  • the release bar 34 is associated with a symbolically indicated in Figure 2 actuator 41, which is formed for example by a pneumatic cylinder and part of the tool release device 20.
  • the hollow shaft 31 and the spindle 32 define an axial passage through which a Planzugwelle 42 extends, which is concentric with the axis of rotation 17 angeord ⁇ net.
  • the Planzugwelle 42 extends at the same time through the release bar 34, ie in the axial passage of the hollow shaft 31 and the spindle 32.
  • the Planzugwelle 42 and the release bar 34 are arranged coaxially with each other.
  • the Planzugwelle 42 may be rotationally fixed manner via a switchable Kupp ⁇ averaging means 43 are coupled to the hollow shaft 31 of the ro tors ⁇ 28th
  • the torque transmission can take place via the release bar 34, ie, the coupling ⁇ device 43 may be 42 acting between the release rod 34 and the Planzugwelle when the Lensestan ⁇ ge 34 is rotatably connected to the hollow shaft 31.
  • the releasing rod 34 may have an inner Profilever ⁇ toothing at one end, be brought into and out of engagement with the teeth of the profile Planzugwelle 42 by the Planzugwelle is moved axially back and forth according to the 42nd
  • the clutch device 43 When engaged, the clutch device 43, the Planzugwelle 42 ro ⁇ advantage in synchronism with the spindle 32.
  • the angle adjusting gear 21 determines the rotation of the cross feed ⁇ shaft 42.
  • the angle adjusting gear 21 a planetary gear ⁇ gear with two planetary gear sets.
  • a first planetary gear set includes a sun gear 44, which is connected in a rotationally fixed manner to the rotor 28, and at least one, preferably a plurality of plates.
  • Netencel 45, 46 which are rotatably mounted on a non-rotatably held planetary carrier 47.
  • the planet carrier 47 is arranged from the perspective of the spindle 32 behind the motor 19 ⁇ .
  • the planet gears 45, 46 mesh with a ring gear 48 which is non-rotatably connected to a preferably equal two ⁇ th ring gear 49.
  • the planet gears 50, 51 are preferably as large as the planet gears 45, 46. They mesh with a sun gear 53, which is preferably as large as the first sun gear 44.
  • the planet carrier 52 is via a transmission connection, for example via a chain or belt drive 54th , connected to a servomotor 55.
  • the Kupp ⁇ averaging means 43 is first disengaged.
  • An angular displacement of the rotating spindle 32 and the rotating Planzugwelle 42 ge ⁇ against each other does not take place, however, as long as the tarpaulin ⁇ pinion carrier 52 does not rotate.
  • the sun gear 44 drives via the planet gears 45, 46, the ring gear 48, which rotates in the opposite direction.
  • the ring gear 49 driven in the same direction now drives the sun gear 53 via the planet gears 50, 51, which thus rotates synchronously with the sun gear 44.
  • a machine spindle assembly 22 forms a structural unit with a motor 19 as a central element.
  • a spindle neck 35 is flanged with a spindle 32 which is driven directly by the rotor 28 of the motor 19.
  • the spindle 32 is a so-called zero spindle, which can be replaced without readjustment with all bearings and sons ⁇ term wearing parts because of the existing precisely adjusted positioning 39, which finds their investment in a well-defined axially bearing bearing surface 38.
  • the decisivlierevor ⁇ direction 20 and an angular gear 21 are arranged, which serves to rotate a plane provided in the spindle 32 Planzugwelle 42 relative to the spindle 32.
  • Planzugwelle 42 serves to actuate an adjusting device on the tool 15th Reference sign:
  • Coupling device first sun gear
  • first planet carrier 49 first and second ring gear, 51 second planet gears

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Turning (AREA)

Abstract

Eine erfindungsgemäße Maschinenspindelanordnung (22) bildet eine Baueinheit mit einem Motor (19) als zentrales Element. An einer Seite des Motors (19) ist ein Spindelhals (35) mit einer Spindel (32) angeflanscht, die von dem Rotor (28) des Motors (19) direkt angetrieben wird. Die Spindel (32) ist eine sogenannte Nullspindel, die mit allen Lagern und sonstigen Verschleißteilen wegen der vorhandenen genau justierten Positionierfläche (39), die ihre Anlage an eine axial gut definierten Lageranlagefläche (38) findet, ohne Nachjustierung ausgewechselt werden kann. Auf der von der Spindel (32) abliegenden Rückseite des Motors (19) sind die Werkzeuglösevorrichtung (20) und ein Winkelstellgetriebe (21) angeordnet, das dazu dient, eine in der Spindel (32) vorhanden Planzugwelle (42) relativ zu der Spindel (32) zu verdrehen. Die Planzugwelle (42) dient zur Betätigung einer Versteileinrichtung an dem Werkzeug (15).

Description

Maschinenspindelanordnung für eine Werkzeugmaschine
[0001] Die Erfindung betrifft eine Maschinenspindelanord¬ nung für eine Werkzeugmaschine, wobei diese Maschinenspin¬ delanordnung eine Spindel mit austauschbarem Spindeleinsatz, einen Motor und eine Planzuganordnung sowie gegebenenfalls weitere Funktions- und Baugruppen umfasst.
[0002] Werkzeugmaschinen, insbesondere zur spanenden Werkstückbearbeitung, weisen typischerweise wenigstens eine Spindel auf, die zur Aufnahme eines Werkzeugs eingerichtet ist. Dazu dienen normalerweise Kegelschaft-Werkzeugaufnahmen, in die ein Werkzeug oder ein Werkzeughalter einsetzbar ist, um das Werkzeug relativ zu einem Werkstück im Raum zu führen und dabei definierte Bewegungen ausführen zu lassen, wie beispielsweise Drehbewegungen. Zum Antrieb dient ein Motor, dessen Rotor mit der Spindel treibend verbunden ist. Typischerweise sind diese Komponenten an einem Schlitten angebaut, der in mindestens einer Richtung vorzugsweise li¬ near beweglich geführt ist, um das drehend angetriebene Werkzeug entlang einer vorgegebenen Bahn zu führen.
[0003] Eine solche Maschinenspindelanordnung ist baulich mit der Werkzeugmaschine vereint und Teil derselben. Typi¬ scherweise ist die Spindellagerung an dem Schlitten angeordnet, der auch den Motor trägt. Typischerweise ist der Aufbau einigermaßen raumgreifend. Dies gilt insbesondere, wenn die Arbeitsspindel mit einer Planzugeinrichtung versehen ist. Solche Planzugeinrichtungen sind zum Betrieb von Werkzeugen bekannt, wie sie beispielsweise der DE 44 21 583 AI zu entnehmen sind. Der dort veranschaulichte Plandreh¬ kopf ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und weist an der Stirnfläche vorstehende, radial bewegliche Werkzeuge auf. Zur Bewegung derselben dient eine axial bewegliche, in der Spindel geführte Stellstange.
[0004] Auch die DE 10 2014 019 175 AI offenbart ein Werkzeug mit axial verschiebbarer Stellstange zur Radialbewe¬ gung von Schneiden.
[0005] Es sind aber auch Werkzeuge bekannt, bei denen die Radialverstellung der Schneiden durch eine Relativverdrehung eines Verstellmechanismus in Bezug auf den Werkzeug¬ halter erfolgt. Solche Werkzeuge erfordern eine Arbeits¬ spindel mit einer drehend angetriebenen Werkzeugaufnahme und einer konzentrischen inneren Spindel, die synchron mit der Arbeitsspindel dreht und zur Betätigung des Verstellap¬ parates winkelmäßig gezielt gegen die Arbeitsspindel ver¬ dreht werden kann. Diese innere Spindel wird als Planzug¬ welle bezeichnet. Zur Erzeugung der Winkelstellbewegung zwischen Arbeitsspindel und der Planzugwelle ist ein soge¬ nanntes Winkelstellgetriebe vorgesehen. Typischerweise wird dies zwischen der Arbeitsspindel und dem Motor angeordnet. Es bildet zusammen mit der Planzugwelle eine Planzugstell¬ einrichtung .
[0006] Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Maschinenspin- delanordnung für Werkzeuge mit Schneidenverstellung anzugeben, die verbesserte Eigenschaften hat.
[0007] Diese Aufgabe wird mit einer Maschinenspindelanord- nung nach Anspruch 1 gelöst:
[0008] Die erfindungsgemäße Maschinenspindelanordnung weist einen Motor mit einem drehbar gelagerten Rotor und einem Stator auf, wobei der Rotor drehfest mit der Spindel ver¬ bunden ist und somit als Direktantrieb für die Spindel dient. Die Spindel ist in einem Spindelhals drehbar gela¬ gert, der an den Stator des Motors angeflanscht ist. Insbe¬ sondere ist zwischen dem Spindelhals und dem Motor keine andere Funktionsbaugruppe vorgesehen, so dass eine beson¬ ders starre schwingungsfeste Ausbildung des Spindelhalses und somit eine steife, schwingungsarme Lagerung der Spindel gegeben ist.
[0009] Die Spindel und der drehfest mit dieser gekuppelte Rotor weisen einen axialen Durchgang auf, durch den sich eine Planzugwelle erstreckt, die konzentrisch zu der Spin¬ del und dem Rotor angeordnet ist. Außerdem kann sich durch den Durchgang eine axial verschiebbar gehaltene Lösehülse erstrecken, die die Planzugwelle umgibt und zum Halten und Lösen eines Werkzeugs in der Werkzeugaufnahme der Spindel dient. Diese Lösehülse kann drehfest mit dem Rotor verbun¬ den sein, um keine Relativdrehung in Bezug auf diesen auszuführen .
[0010] Zur Relativverdrehung der Planzugwelle gegen die Spindel ist ein Winkelstellgetriebe vorgesehen, das an der von dem Spindelhals abgewandten Seite des Motors gehalten ist. Mit dem Planzugantrieb kann, während die Spindel dreht, eine drehzahlunabhängige Winkelverdrehung zwischen der Spindel und der Planzugwelle bewirkt werden. Insbeson¬ dere ist die Spindel, die das Werkzeugantriebsmoment über¬ tragen muss, auf kurzem Weg direkt an den Rotor angeschlos¬ sen während die Planzugwelle, die im Bedarfsfalle lediglich geringe Stellmomente zu übertragen hat, auf dem längeren Wege mit dem Winkelstellgetriebe oder der Spindel verbunden ist. Damit wird ein sehr kompakter, steifer und zugleich schlanker Aufbau erreicht.
[0011] Die Maschinenspindelanordnung weist in dem Spindelhals eine axiale Lageranlagefläche auf, der eine axiale Po¬ sitionierfläche des Spindeleinsatzes zugeordnet ist. Die axiale Positionierfläche und die Spindelanlagefläche sind so aufeinander abgestimmt, dass die Axialpositionierung des Spindeleinsatzes exemplarunabhängig mit hoher Genauigkeit bewirkbar ist. Damit sind alle Verschleißteile, einschlie߬ lich Lager, Werkzeugaufnahme, in der Werkzeugaufnahme vor¬ handener Elemente, wie Spannelemente, Federn und derglei¬ chen, auf einfache Weise austauschbar.
[0012] Die Spindellagereinrichtung weist vorzugsweise wenigstens eine Axiallagerkomponente und wenigstens eine Ra¬ diallagerkomponente auf. Zu der Axiallagerkomponente gehört die axiale Positionierfläche, die ihre Anlage und Position in montiertem Zustand an der Lageranlagefläche des Spindel¬ halses findet.
[0013] Der Rotor weist eine Rotorlagereinrichtung auf, die insbesondere als Radiallagereinrichtung ausgebildet ist. Axiale von dem Werkzeug und dem Werkzeugwerkstückeingriff herrührende Kräfte werden von der Lagerung des Spindeleinsatzes aufgenommen und von der Spindel vorzugsweise nicht auf den Rotor übertragen. Dazu ist zwischen dem Spindeleinsatz und dem Rotor eine formschlüssige Kupplung, beispiels¬ weise eine drehspielarme Zahnkupplung, vorgesehen, die eine axiale Relativbewegung zwischen Rotor und Spindeleinsatz gestattet .
[0014] Zwischen dem Rotor und der Planzugwelle kann eine formschlüssige schaltbare Kupplungseinrichtung vorgesehen sein, die dazu eingerichtet ist, wahlweise die Planzugwelle und den Rotor formschlüssig drehfest zu kuppeln oder eine Relativdrehung freizugeben. Die Kupplungseinrichtung kann beispielsweise über eine axiale Bewegung der Planzugwelle ein- und ausgekuppelt werden. In gekuppeltem Zustand ist eine vollständig synchrone Drehung des Spindeleinsatzes und der Planzugwelle sichergestellt. Auch unerwartete Drehzah¬ länderungen, wie beispielsweise durch Stromausfall, Notab- Schaltung oder dergleichen, führen nicht zu einer unkontrollierten Relativbewegung und somit unkontrollierten Radialverstellung von Komponenten am Werkzeug.
[0015] Der Kompaktheit, Schwingungsarmut und Zentrierung der an der Maschinenspindelanordnung vorhandenen Massen kommt es zugute, wenn der Spindelhals direkt an eine erste Stirnseite des Stators angeflanscht und von diesem getragen ist. Weiter ist es von Vorteil, wenn das Winkelstellgetrie¬ be und gegebenenfalls eine Löseeinheit für die Werkzeugauf¬ nahme an der von dem Spindelhals weg weisenden anderen Stirnseite des Stators angeordnet sind. Der Schwerpunkt dieser Maschinenspindelanordnung liegt dann im Wesentlichen im Inneren des Motors, wodurch auch schnelle Stellbewegungen der Maschinenspindelanordnung mit hoher Präzision und ohne Anregung unzuträglicher Schwingungen ausgeführt werden können .
[0016] Vorzugsweise bildet die Maschinenspindelanordnung insoweit eine vorgefertigte Baueinheit, die im Ganzen mit einem Maschinenschlitten verbunden oder von diesem gelöst werden kann. Zum Anschluss weist der Motor eine Anschluss¬ fläche zur radialen und axialen Befestigung der Maschinenspindelanordnung an dem Maschinenschlitten auf. Zusätzlich kann der Spindelhals eine Abstüt zfläche zur radialen Ab- stützung an dem Maschinenschlitten aufweisen, beispielsweise um Bearbeitungskräfte direkt in den Maschinenschlitten einzuleiten. Die Abstüt zfläche kann eine Umfangsfläche des Spindelhalses sein.
[0017] Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung oder von Ansprüchen. Es zeigen:
[0018] Figur 1 eine Werkzeugmaschine, in schematisierter vereinfachter Darstellung, [0019] Figur 2 die Maschinespindel der Werkzeugmaschine nach Figur 1, in schematisierter teilweise geschnittener Darstellung,
[0020] Figur 3 eine Prinzipdarstellung von Komponenten der Maschinenspindel nach Figur 2.
[0021] In Figur 1 ist eine Werkzeugmaschine 10 veranschau¬ licht, die zur spanenden Bearbeitung von Werkstücken 11 dient. Dazu ist das in Figur 1 symbolisch durch ein Rechteck veranschaulichte Werkstück 11 auf einem Werkstücktisch 12 gespannt, der fest oder beweglich von einem Maschinegestell 13 getragen ist. Der Werkstücktisch 12 kann dabei linear und/oder rotatorisch jeweils um eine oder mehrere horizontale und/oder vertikale Achsen beweglich angeordnet sein .
[0022] Zur Bearbeitung des Werkstücks 11 dienen Werkzeuge, die typischerweise in einem Werkzeugmagazin bereitgehalten und durch geeignete Mittel in eine Maschinenspindel 14 ein¬ gesetzt und ausgewechselt werden können. Solche Werkzeuge sind Bohrer, Fräser und dergleichen. In Figur 1 ist als Werkzeug 15 ein Spindelkopf dargestellt, der wenigstens ei¬ ne radial verstellbare Schneide 16 aufweist. Die Radialver- stellbarkeit ist in Figur 1 durch einen radial zu der Drehachse 17 orientierten Pfeil veranschaulicht.
[0023] Die Maschinenspindel 14 ist dazu eingerichtet, das Werkzeug 15 zu drehen und die Schneide 16 bedarfsweise ge¬ zielt radial zu verstellen. Auch andere Werkzeuge mit Radi¬ alverstellung von Schleif- oder Schneidelementen können von der Maschinenspindel 14 aufgenommen werden.
[0024] Die Maschinenspindel 14 ist von einem Schlitten 18 getragen, der mit der Maschinenspindel 14 zusammen weitere Elemente, wie zum Beispiel einen Motor 19, eine Werkzeuglö¬ sevorrichtung 20 und/oder ein Winkelstellgetriebe 21 gehö¬ ren, wie es in Figur 2 veranschaulicht ist. Die Spindel 14, der Motor 19, die Werkzeuglösevorrichtung 20 und das Winkelstellgetriebe 21 bilden eine Maschinenspindelanordnung, die eine selbständige Baueinheit 22 bildet. [0025] Die Baueinheit 22 weist eine Anschlussfläche 23 auf, die vorzugsweise am Außenumfang des Motors 20 angeordnet ist. Die Fläche erstreckt sich vorzugsweise um den Motor 19 herum, wobei sie zusammenhängend oder unterbrochen ausge¬ bildet sein kann. Die Anschlussfläche 23 kann eine Zylin¬ derfläche oder auch eine Fläche sein, die einem anderen Querschnitt beispielsweise einem Polygonalquerschnitt, folgt. Sie dient zur radialen und axialen Fixierung der Baueinheit 22, wobei der Schlitten 18 zu der Anschlussflä¬ che 23 passend eine entsprechende Sitzfläche 24 aufweist. Durch die feste Lagerung und Halterung des Motors 19 an seiner Anschlussfläche 23 ist die gesamte von der Maschi- nenspindelanordnung 22 gebildete Baueinheit fest gehalten. Zusätzlich kann der Schlitten 18 einen rohrförmigen Fortsatz 25 oder einen sonstigen Halter aufweisen, der einen Teil der Maschinenspindel 14 aufnimmt und diese in Radial¬ richtung abstützt. Dazu kann die Maschinenspindel 14 eine Abstützfläche 26 aufweisen, die von einem Abschnitt der Um- fangsfläche der Maschinenspindel 14 gebildet wird.
[0026] Die Maschinenspindelanordnung 22 weist als zentrales und tragendes Element den Motor 19 auf, der einen Stator 27 und einen Rotor 28 umfasst. Der Motor 19 kann als Synchronmotor, Asynchronmotor, Gleichstrommotor oder sonstiger Elektromotor ausgebildet sein, wobei er hinsichtlich Leistung, Drehzahl und Drehmoment auf den Antrieb des Werkzeugs 15 ohne Zwischengetriebe eingerichtet ist (getriebeloser Direktantrieb) . Der Rotor 28 weist eine vorzugsweise durch Wälzlager an stirnseitigen Lagerschilden 29, 30 gelagerte Hohlwelle 31 auf, die an ihrer im Arbeitsraum und somit dem Werkzeug 15 zugewandten Seite mit einer Spindel 32 gekop¬ pelt ist. Die Spindel 32 und die Hohlwelle 31 sind beide konzentrisch zu der gleichen Drehachse 17 angeordnet. Zur drehfesten Kupplung der Hohlwelle 31 und der Spindel 32 kann jedes geeignete Kupplungsmittel Anwendung finden, das eine drehfeste Kupplung bewirkt und zugleich wenigstens ge¬ ringe, radiale und/oder axiale Ausgleichsbewegungen gestattet, wie beispielsweise Stirnverzahnungen, Profilverzahnungen oder dergleichen.
[0027] Die Spindel 32 ist hohl ausgeführt und weist an ih¬ ren von dem Motor 19 weg weisenden Ende eine Werkzeugauf¬ nahme 33 auf, die beispielsweise zur Aufnahme von Hohl¬ schaftkegeln oder anderweitigen genormten Werkzeuganschlüssen oder Anschlüssen von Werkzeughaltern geeignet ist. Zur Arretierung solcher Werkzeuge in der Werkzeugaufnahme 33 dient eine Lösestange 34, die rohrartig ausgebildet ist und sich sowohl durch die Hohlwelle 31 des Rotors 28 wie auch durch die Spindel 32 erstreckt. Die insbesondere auch aus Figur 3 ersichtliche Lösestange 34 trägt im Bereich der Werkzeugaufnahme 33 Verbindungsmittel zum Ankuppeln an eine entsprechende Kupplungsstruktur des Werkzeugs oder des Werkzeughalters. Durch nicht veranschaulichte Federmittel ist die Lösestange 34 in Richtung von der Werkzeugaufnahme 33 weg federnd vorgespannt. Zum Lösen des Werkzeugs wird die Lösestange 34 durch die Werkzeuglösevorrichtung 20 in Richtung auf das Werkzeug hin (Figur 2 nach links) bewegt.
[0028] Die Spindel 32 ist durch mehrere Lager, insbesondere Wälzlager, in einem Spindelhals 35 drehbar gelagert. Dieser ist fest mit dem Stator 27 des Motors verschraubt. Bei ei¬ ner bevorzugten Ausführungsform schließt der Spindelhals 35 mit einem Scheibenflansch unmittelbar an die werkzeugseiti- ge Stirnseite des Motors 19 an, die im Ausführungsbeispiel durch das Lagerschild 29 oder eine andere den Stator 27 ab¬ schließende Struktur gebildet ist. Durch diese Bauweise wird eine optimale Fluchtung der Spindel 32 und der Hohl¬ welle 31 zu der Drehachse 17 und eine sehr kompakte Bauwei¬ se erreicht. [0029] Die Spindel 32 bildet zusammen mit wenigstens zwei Lagern 36, 37 sowie gegebenenfalls weiteren mit der Spindel 32 verbundenen Teilen einen Spindeleinsatz, der als Verschleißteil zum Beispiel bei Lagerverschleiß oder Ver¬ schleiß der Werkzeugaufnahme 33 im Ganzen ausgewechselt werden kann. Nachdem die Axialposition der Spindel 32 die Position der Werkzeugschneiden aufgenommener Werkzeuge bestimmt, kommt es dabei darauf an, dass die neue Spindel 32 ungeachtet etwaiger Produktionstoleranzen die gleiche Axialposition aufweist, wie die zuvor von dem Spindelhals 35 aufgenommene Spindel. Deswegen weist der Spindelhals 35 ei¬ ne axiale Lageranlagefläche 38 auf, die zum Beispiel durch eine ringförmige, ebene, an einer Stufe des inneren Durch¬ gangs des Spindelhalses 35 ausgebildete Fläche gebildet sein kann. Die Lageranlagefläche 38 dient der axialen Anla¬ ge des Lagers 37, das die Axiallagerkomponente der gesamten von den Lagern 36, 37 gebildeten Lagereinrichtung sein kann. Der axialen Lageranlagefläche 38 ist eine axiale Po¬ sitionierfläche 39 zugeordnet, die direkt an dem Lager 37 oder an Beilag- oder Justierringen ausgebildet ist, die zwischen dem Lager 37 und der Lageranlagefläche 38 angeord¬ net sein können. Durch entsprechend positionierte axiale Anordnung der Positionierfläche 39 wird sichergestellt, dass ein Spindeleinsatz ausgewechselt werden kann, ohne danach die Werkzeugmaschine neu einmessen zu müssen.
[0030] Zwischen der Spindel 32 und dem Rotor 28 bzw. seiner Hohlwelle 31 ist eine drehfeste Kupplungseinrichtung 40 an¬ geordnet, die zum Beispiel durch ineinander greifende
Stirnverzahnungen der Spindel 32 und der Hohlwelle 31 gebildet sein kann. Diese Kupplungseinrichtung 40 lässt geringfügige axiale und/oder radiale Relativbewegungen zu, so dass die Axialposition der Spindel 32 allein von der Positionierfläche 39 und der Axialanlagefläche 38 bestimmt ist. [0031] Durch die Spindel 32 und die Hohlwelle 31 erstreckt sich die rohrartig ausgebildete Lösestange 34, die axial beweglich ist, wobei sie jedoch vorzugsweise drehfest mit der Hohlwelle 31 und/oder der Spindel 32 verbunden ist. Der Lösestange 34 ist ein in Figur 2 symbolisch angedeuteter Aktor 41 zugeordnet, der zum Beispiel durch einen Druckluftzylinder gebildet ist und Teil der Werkzeuglösevorrichtung 20 ist. Die Hohlwelle 31 und die Spindel 32 begrenzen einen axialen Durchgang, durch den sich eine Planzugwelle 42 erstreckt, die konzentrisch zu der Drehachse 17 angeord¬ net ist. Die Planzugwelle 42 erstreckt sich dabei zugleich durch die Lösestange 34, d.h. in den Axialdurchgang der Hohlwelle 31 und der Spindel 32. Die Planzugwelle 42 und die Lösestange 34 sind koaxial zueinander angeordnet.
[0032] Die Planzugwelle 42 kann über eine schaltbare Kupp¬ lungseinrichtung 43 drehfest mit der Hohlwelle 31 des Ro¬ tors 28 gekuppelt werden. Die Drehmomentübertragung kann dabei über die Lösestange 34 erfolgen, d.h. die Kupplungs¬ einrichtung 43 kann zwischen der Lösestange 34 und der Planzugwelle 42 wirkend angeordnet sein, wenn die Lösestan¬ ge 34 drehfest mit der Hohlwelle 31 verbunden ist. Dazu kann die Lösestange 34 an einem Ende eine innere Profilver¬ zahnung aufweisen, mit der Profilzähne der Planzugwelle 42 in und außer Eingriff gebracht werden, indem die Planzugwelle 42 axial entsprechend hin und her verschoben wird.
[0033] Ist die Kupplungseinrichtung 43 eingekuppelt, ro¬ tiert die Planzugwelle 42 synchron zu der Spindel 32. Wenn die Kupplungseinrichtung 43 hingegen ausgekuppelt ist, bestimmt das Winkelstellgetriebe 21 die Drehung der Planzug¬ welle 42. Das Winkelstellgetriebe 21 ist ein Planetenge¬ triebe mit zwei Planetensätzen. Zu einem ersten Planetensatz gehören ein drehfest mit dem Rotor 28 verbundenes Sonnenrad 44, sowie wenigstens ein, vorzugsweise mehrere Pla- netenräder 45, 46, die an einem unverdrehbar gehaltenen Planetenträger 47 drehbar gelagert sind. Der Planetenträger 47 ist aus Sicht der Spindel 32 hinter dem Motor 19 ange¬ ordnet. Die Planetenräder 45, 46 kämmen mit einem Hohlrad 48, das drehfest mit einem vorzugsweise gleich großen zwei¬ ten Hohlrad 49 verbunden ist. Dieses gehört zu einem zwei¬ ten Planetensatz, dessen Planetenräder 50, 51 an einen um die Drehachse 17 konzentrisch drehbar gelagerten Planetenträger 52 selbst drehbar gelagert sind. Die Planetenräder 50, 51 sind vorzugsweise so groß wie die Planetenräder 45, 46. Sie kämmen mit einem Sonnenrad 53, das vorzugsweise so groß ist wie das erste Sonnenrad 44. Der Planetenträger 52 ist über eine Getriebeverbindung, beispielsweise über einen Ketten- oder Riementrieb 54, mit einem Stellmotor 55 verbunden .
[0034] Das Funktionsprinzip der in Figur 3 ausschnittsweise angedeuteten Spindeleinheit ist wie folgt:
[0035] Ist die Kupplung 43 eingerückt, rotieren Spindel 32 und Planzugwelle 42 mit gleicher Drehzahl synchron in feststehender Winkelbeziehung zueinander. Damit werden an dem Werkzeug 15 vorhandene Schneiden 16 in Radialrichtung nicht verstellt .
[0036] Soll nun während des Betriebs eine Radialverstellung der Schneide 16 vorgenommen werden, wird zunächst die Kupp¬ lungseinrichtung 43 entkuppelt. Eine Winkelverstellung der drehenden Spindel 32 und der drehenden Planzugwelle 42 ge¬ geneinander findet jedoch nicht statt, solange der Plane¬ tenträger 52 nicht dreht. Das Sonnenrad 44 treibt über die Planetenräder 45, 46 das Hohlrad 48, das in Gegenrichtung umläuft. Das in gleiche Richtung mitgenommene Hohlrad 49 treibt nun über die Planetenräder 50, 51 das Sonnenrad 53 an, das somit synchron zu dem Sonnenrad 44 dreht. [0037] Sobald jedoch der Stellmotor 55 den Planetenträger 52 in Drehrichtung verstellt, wird diese Winkelstellbewe¬ gung der Drehbewegung der Planzugwelle 42 überlagert, so dass diese mit gegenüber der Spindel 32 etwas veränderter Drehzahl weiterdrehend eine Winkelverstellung gegen die Spindel 32 erfährt. Die Winkelverstellung kommt zum Still¬ stand sobald der Stellmotor 55 stillgesetzt wird, die Dreh¬ zahlen von Spindel 32 und Planzugwelle 42 sind dann wieder gleich. Durch die von dem Stellmotor 55 über das Winkelstellgetriebe 21 auf die Planzugwelle 42 zusätzlich zur vorhandenen Drehung ausgeübte Verdrehung, d.h. Winkelverstellung, wird die Schneide 16 in Radialrichtung verstellt.
[0038] Eine erfindungsgemäße Maschinenspindelanordnung 22 bildet eine Baueinheit mit einem Motor 19 als zentrales Element. An einer Seite des Motors 19 ist ein Spindelhals 35 mit einer Spindel 32 angeflanscht, die von dem Rotor 28 des Motors 19 direkt angetrieben wird. Die Spindel 32 ist eine sogenannte Nullspindel, die mit allen Lagern und sons¬ tigen Verschleißteilen wegen der vorhandenen genau justierten Positionierfläche 39, die ihre Anlage an eine axial gut definierten Lageranlagefläche 38 findet ohne Nachjustierung ausgewechselt werden kann. Auf der von der Spindel 32 ab¬ liegenden Rückseite des Motors 19 sind die Werkzeuglösevor¬ richtung 20 und ein Winkelstellgetriebe 21 angeordnet, das dazu dient, eine in der Spindel 32 vorhanden Planzugwelle 42 relativ zu der Spindel 32 zu verdrehen. Die Planzugwelle 42 dient zur Betätigung einer Versteileinrichtung an dem Werkzeug 15. Bezugs zeichen :
Figure imgf000016_0001
Planzugwelle
Kupplungseinrichtung erstes Sonnenrad
, 46 erste Planetenräder
erster Planetenträger, 49 erstes und zweites Hohlrad, 51 zweite Planetenräder
zweiter Planetenträger zweites Sonnenrad
Getriebemittel
Stellmotor

Claims

Patentansprüche :
1. Maschinenspindelanordnung (22) für eine Werkzeugmaschine (10), mit einem Motor (19), der einen um eine Drehachse (17) drehbar gelagerten Rotor (28) mit einer konzentrischen Rotordurchgangsöffnung und einen Stator (27) aufweist, mit einem Spindelhals (35), der an den Stator (27) des Motors (28) angeflanscht ist und der eine axiale La¬ geranlagefläche (23) aufweist, mit einem austauschbaren Spindeleinsatz (32, 36, 37), der eine Spindel (32) mit einer Werkzeugaufnahme (33) und eine Spindellagereinrichtung (36, 37) mit einer axialen Positionierfläche (39) aufweist, die der axia¬ len Lageranlagefläche (38) zugeordnet ist, um die Axi¬ alpositionierung des Spindeleinsatzes exemplarunabhängig zu bewirken, wobei die Spindel (32) eine zentrische Spindeldurch¬ gangsöffnung aufweist, mit einer Planzugwelle (42), die sich durch die Spindeldurchgangsöffnung und die Rotordurchgangsöffnung erstreckt, mit einem Winkelstellgetriebe (21), das an die von dem Spindelhals (35) abliegende Seite des Stators (27) an¬ geschlossen ist und sowohl mit dem Rotor (28) als auch mit der Planzugwelle (42) in Verbindung bringbar ist, mit einem Planzugantrieb (21), der dazu eingerichtet ist, eine drehzahlunabhängige Winkelverdrehung zwi- sehen der Spindel (32) und der Planzugwelle (42) zu bewirken .
2. Maschinenspindelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spindelhals (35) einen Durch¬ gangskanal aufweist, der konzentrisch zu der Drehachse (17) angeordnet ist.
3. Maschinenspindelanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindella¬ gereinrichtung (36, 37) wenigstens eine Axiallagerkomponente (37) und wenigstens eine Radiallagerkomponente (36) aufweist.
4. Maschinenspindelanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (28) eine Rotorlagereinrichtung aufweist, die wenigstens eine Radiallagerkomponente aufweist.
5. Maschinenspindelanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Spindel (32) und dem Rotor (28) eine formschlüssige Kupplungseinrichtung (40) vorgesehen ist.
6. Maschinenspindelanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zwischen dem Rotor (28) des Motors (19) und der Planzugwelle (42) eine formschlüssige schaltbare Kupplungseinrich¬ tung (43) wirksam ist, die dazu eingerichtet ist, eine Relativdrehung zwischen der Planzugwelle (42) und dem Rotor (28) wahlweise freizugeben oder zu sperren.
7. Maschinenspindelanordnung nach Anspruch 6, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Planzugwelle (42) axial ver¬ stellbar gelagert ist, um die Kupplungseinrichtung (43) ein- und auszukuppeln.
8. Maschinenspindelanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spindel¬ hals (35) an eine erste Stirnseite des Stators (27) direkt angeflanscht und von diesem getragen ist.
9. Maschinenspindelanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Stator (27) und dem Winkelstellgetriebe (21) eine Lö¬ seeinheit (20) für die Werkzeugaufnahme (33) vorgese¬ hen ist.
10. Maschinenspindelanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Löseeinheit (20) direkt an eine zweite Stirnseite des Stators (27) angeflanscht ist und dass die Löseeinheit das Winkelstellgetriebe (21) trägt .
11. Maschinenspindelanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinen¬ spindelanordnung (22) eine vorgefertigte Baueinheit bildet, die zur Aufnahme in einem Maschinenschlitten (18) eingerichtet ist.
12. Maschinenspindelanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (27) des Motors (19) eine Anschlussfläche (23) zur ra¬ dialen und axialen Befestigung der Maschinenspindelanordnung (22) an einem Maschinenschlitten (18) aufweist.
13. Maschinenspindelanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussfläche eine Umfangs- fläche des Stators (27) ist.
14. Maschinenspindelanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spindel¬ hals (35) eine Abstützflache (26) zur radialen Abstüt- zung des Spindelhalses (35) an einem Maschinenschlit¬ ten (18) aufweist.
15. Maschinenspindelanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützflache (26) eine Um- fangsfläche des Spindelhalses (35) ist.
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