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Dokumentenidentifikation DE3818449A1 07.12.1989
Titel Arbeitsspindel für hohe Biegebelastung und Drehmomentmessung durch Torsion
Anmelder Letay, Gabriel, Dipl.-Ing., 7920 Heidenheim, DE
Vertreter Beyer, W., Dipl.-Ing.; Jochem, B., Dipl.-Wirtsch.-Ing., Pat.-Anwälte, 6000 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 31.05.1988
DE-Aktenzeichen 3818449
Offenlegungstag 07.12.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.12.1989
IPC-Hauptklasse B23Q 1/08
IPC-Nebenklasse B24B 41/04   G01L 3/10   B23Q 17/09   
Zusammenfassung Eine Arbeitsspindel (12) für hohe Biegebelastung besteht aus einer in axial beabstandeten Lagern (14, 16/18) gelagerten, weitgehend biege- und torsionssteifen Hohlwelle (44) und einer von dieser umschlossenen torsionselastischen Zentralwelle (48), die am abtriebsseitigen Ende drehfest miteinander verbunden sind. Das Antriebsmoment wird über das aus der Hohlwelle (44) vorstehende freie Ende (40) der Zentralwelle (48) eingeleitet. An den unverbundenen Enden der Wellen (44, 48) sind Mittel zur Erzeugung von drehwinkelbezogenen Impulssignalen angeordnet, deren torsionsabhängige Phasenverschiebung als Maß für das übertragene Drehmoment verwendbar ist. Durch diese Ausbildung sind einerseits eine hohe Biegesteifigkeit und andererseits eine ausreichende Torsionselastizität zwischen den beiden Meßstellen gewährleistet, wodurch mit herkömmlichen Meßeinrichtungen das übertragene Drehmoment fortlaufend erfaßt werden kann.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Arbeitsspindel für hohe Biegebelastung, die an zwei im Axialabstand angeordneten Stellen Mittel zur Erzeugung von drehwinkelbezogenen Impulssignalen trägt, deren torsionsabhängige Phasenverschiebung als Maß für das übertragene Drehmoment verwendbar ist.

Die Antriebsspindeln moderner Werkzeugmaschinen sind sehr kompakt gestaltet. Die gestiegenen Anforderungen an die Fertigungsgüte verlangen eine hohe Biegesteifigkeit zur Aufnahme der radial auf die Spindel wirkenden Anpreßkraft zwischen Werkzeug und Werkstück sowie eine hohe Torsionssteifigkeit zur Vermeidung von Drehschwingungen und der daraus resultierenden sog. Rattermarken. Diesen Anforderungen wird dadurch Rechnung getragen, daß die Arbeitsspindel zwischen zwei gehäusefesten Lagern als Welle mit hohem Flächenträgheitsmoment, d. h. also kurz und mit großem Durchmesser ausgebildet wird.

Der technische Fortschritt stellt darüber hinaus weitere Anforderungen. So gewinnt die Fehlerfrühdiagnose in der Fertigungstechnik zunehmend an Bedeutung, und es besteht ein wachsendes Interesse an einer fortlaufenden Überwachung des Fertigungsprozesses während dessen Ablaufs, da dieser einen unmittelbaren Einfluß auf die Fertigungsqualität hat.

So ist beispielsweise bei Schleifmaschinen die im Schleifprozeß umgesetzte Schnittleistung ein direktes Maß für die Fertigungsgüte. Versuche, die Schnittleistung durch Messung der Stromaufnahme des Antriebsmotors zu erfassen, brachten jedoch nicht den gewünschten Erfolg. Selbst bei konstanter Drehzahl, d. h. also ohne Einwirkung der Massenträgheitsmomente, ergaben sich Meßfehler bis zu ±3%. Für die Erfassung der Schnittleistung kommt deshalb nur die Messung mechanischer Größen unmittelbar an der Arbeitsspindel in Betracht. Hierbei spielt das Drehmoment eine entscheidende Rolle, welches über den nahezu konstanten Radius des Schleifwerkzeugs die Schleifkraft als Schleifmoment proportional wiedergibt. Da das Schleifmoment die Arbeitsspindel auf Torsion beansprucht, bildet die Verwindung der Spindel ein unmittelbares Maß für die Schleifkraft, die durch Messen des zeitlichen Verlaufs des Drehwinkels an zwei axial auseinanderliegenden Stellen der Arbeitsspindel unter Verwendung geeigneter Meßeinrichtungen wie Hall-Sensoren oder dgl. erfaßt und prozeßtechnisch ausgewertet werden kann.

Für die Genauigkeit der vorbeschriebenen Drehmomentmessung kommt es wesentlich auf die Torsionselastizität der Arbeitsspindel zwischen den Meßstellen an. Kurze Spindeln mit großem Durchmesser, wie sie heute zunehmend verwendet werden, haben zwischen ihren Enden nur eine geringe Torsionselastizität, die eine genaue Erfassung des Drehmoments erschwert und einen entsprechend hohen und damit teueren meßtechnischen Aufwand erfordert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Arbeitsspindel der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie die beiden konträren Forderungen nach einerseits hoher Biegesteifigkeit und andererseits ausreichender Torsionselastizität zwischen den Meßstellen mit einfachen Mitteln vereinigt und dadurch die Anwendung herkömmlicher Meßeinrichtungen für eine fortlaufende Erfassung des übertragenen Drehmoments gestattet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Arbeitsspindel aus einer in axial beabstandeten Lagern gelagerten, weitgehend biege- und torsionssteifen Hohlwelle und einer von dieser umschlossenen torsionselastischen Zentralwelle besteht, die am abtriebseitigen Ende drehfest miteinander verbunden sind, wobei das Antriebsmoment über daß aus der Hohlwelle vorstehende freie Ende der Zentralwelle eingeleitet wird und die Mittel zur Erzeugung der Impulssignale an den unverbundenen Enden der Wellen angeordnet sind.

Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, die Welle ohne Inkaufnahme einer Verlängerung gegenüber den bisher verwendeten massiven Wellen in einen biegesteifen äußeren Teil (Hohlwelle) und einen torsionselastischen inneren Teil (Zentralwelle), über den das Antriebsmoment geleitet wird, aufzuspalten. Da die Biegesteifigkeit vom Flächenträgheitsmoment des Wellenquerschnitts bestimmt wird, das mit der vierten Potenz des Radius zunimmt, läßt sich die Biegesteifigkeit einer Hohlwelle bei entsprechender Wahl der Wandstärke auf nahezu der gleichen Höhe wie bei einer Vollwelle halten. Demgegenüber braucht die Zentralwelle nur einen solchen Durchmesser zu besitzen, daß sie das Antriebsmoment zur Aufbringung der Bearbeitungskraft zu übertragen vermag. Auslegungskriterium der Zentralwelle ist eine unterkritische Dimensionierung dahingehend, daß die Eigenfrequenz des Zwei-Massen-Torsionsschwingers immer über der Anregungsfrequenz liegt. Dadurch wird Rattern verhindert. Da die Hohlwelle selbst nicht auf Torsion belastet wird, können die Mittel zur Erzeugung der drehwinkelbezogenen Impulssignale in unmittelbarer Nachbarschaft an den unverbundenen Enden der beiden Wellen angeordnet werden, wodurch Meßfehler durch mechanische oder thermische Verwerfungen zwischen der Arbeitsspindel und stationären Teilen der Meßeinrichtungen ausgeschlossen werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt im Längsschnitt eine Schleifmaschine mit einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse 10, in welchem eine in ihrer Gesamtheit mit 12 bezeichnete Arbeitsspindel mit Hilfe von Kugellagern 14, 16, 18 gelagert ist. Zwischen den Kugellagern 14 und 16, 18 ist eine Distanzhülse 20 zur Schaffung des für die Übertragung der Schleifanpreßkraft auf das Gehäuse 10 erforderlichen Lagerabstandes angeordnet. Ein Flanschring 22 spannt die Lager 14, 16, 18 über die Distanzhülse 20 vor, schließt das werkzeugseitige Ende des Gehäuses 10 ab und hält die Arbeitsspindel 12 mit den vorgenannten Lagerteilen in Stellung. Eine im Flanschring 22 angeordnete Dichtung 24 verhindert das Eindringen von Schleifstaub und sonstigen Verschmutzungen in das Gehäuse 10.

Das aus dem Gehäuse 10 durch den Flanschring 22 herausragende Ende 25 der Arbeitsspindel 12 ist kegelstumpfförmig ausgebildet und nimmt eine mit einer entsprechenden Bohrung versehene Schleifscheibe 26 auf, die mittels einer Schraube 28 auf der Arbeitsspindel reibschlüssig befestigt ist.

Am anderen Ende des Gehäuses 10, das bei 30 flanschartig erweitert ist, befindet sich der Antriebsmotor 32 der Schleifmaschine. Der Antriebsmotor 32 ist ein elektrischer Induktionsmotor, dessen das Ständerblechpaket 34 und die Ständerwicklung 36 enthaltendes Gehäuse 38 an der Erweiterung 30 des Maschinengehäuses 10 festgeschraubt ist. Der Läufer 39 des Motors 32 ist als Kurzschlußläufer ausgebildet und mit seiner Motorwelle 40 in einem Kugellager 42 in der Stirnwand des Motorgehäuses 38 gelagert.

Die Motorwelle 40 bildet mit der Arbeitsspindel 12 in nachstehend beschriebener Weise eine Einheit und treibt die Schleifscheibe 26 unmittelbar an.

In Übereinstimmung mit der Erfindung besteht die Antriebsspindel 12 aus einer Außenwelle 44, die durch eine vom motorseitigen Ende ausgehende Sackbohrung 46 im Bereich des Maschinengehäuses 10 als Hohlwelle ausgebildet ist, und einer in die Bohrung 46 ragenden zentralen Welle 48, die von einem Ansatz der Motorwelle 40 gebildet ist. Die zentrale Welle 48 ist mit einem verdickten Kopf 50 in eine Verengung 52 am inneren Ende der Sackbohrung 46 eingepreßt und mit einem etwa gleichdicken Bund 54, der unmittelbar an die Motorwelle 40 anschließt, durch ein Nadellager 56 in der Hohlwelle 44 gelagert. Dadurch wird eine radiale Zwischenabstützung der zentralen Welle 48 bzw. der damit einstückigen Motorwelle 40 erhalten, um ein eventuelles radiales Ausschlagen dieser Welleneinheit aufgrund der geringen Biegesteifigkeit der zentralen Welle 48 zu verhindern. Eine Dichtung 57 schützt das Nadellager gegen Verschmutzung.

Die zentrale Welle 48 ist aufgrund ihres geringen Durchmessers in hohem Maße torsionselastisch und wird sich im Betrieb unter dem Antriebsmoment des Induktionsmotors 32 proportional zu diesem verwinden. Zur Messung dieser Verwindung trägt die Hohlwelle 44 an ihrem offenen Ende einen an einer flanschartigen Vergrößerung 58 ausgebildeten ersten Zahnkranz 60. Ein zweiter Zahnkranz 62 ist an einem Ring 64 ausgebildet, der auf die Welleneinheit 40, 48 im Bereich der Motorwelle 40 axial unmittelbar neben dem Zahnkranz 60 aufgeschoben ist. Beide Zahnkränze 60, 62 haben denselben Durchmesser und dieselbe Zahnteilung und können im Stillstand bzw. im Leerlauf des Induktionsmotors 32 um eine Viertel-Zahnteilung in Umfangsrichtung versetzt sein.

Den Zahnkränzen 60, 62 sind im Gehäuseteil 30 angeordnete Meßwertgeber 66 bzw. 68 zugeordnet, die von den Zahnkränzen 60, 62 bei deren Drehung berührungslos beeinflußt werden und elektrische Impulssignale erzeugen, die über Anschlußdrähte 70, 72 einer nicht gezeigten Überwachungs- und Steuereinrichtung zugeführt werden. Die Meßwertgeber 66, 68können mit Vorteil als Hall-Sensoren ausgebildet sein, deren Impulssignale bei unbelasteter und gleichförmig drehender Schleifmaschine einen bestimmten Phasenabstand zueinander wie beispielsweise eine Phasenverschiebung von 90° bei dem oben erwähnten Versatz der Verzahnungen 60, 62 um eine Viertel-Zahnteilung aufweist. Wird die Schleifscheibe belastet, verwindet sich proportional der Höhe des übertragenen Drehmoments die zentrale Welle 48, und der Phasenabstand zwischen den Meßwertgeber 66, 68 wird entsprechend verschoben und kann in der Überwachungs- und Steuereinrichtung auf bekannte Weise zur Bestimmung des Drehmoments herangezogen werden.

Eine Schaltungsanordnung zur Auswertung der Impulssignale der Meßwertgeber 60, 62 ist beispielsweise aus der DE-OS 35 09 763 bekannt.

Die vorbeschriebene Schleifmaschine mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Arbeitsspindel läßt sich mit besonderem Vorteil für eine selbstanpassende Regelung der Schleifleistung beim Schleifen der Umfangskanten von unrunden Platten wie beispielsweise den Fensterscheiben von Kraftfahrzeugen anwenden, wenn einerseits die Schleifleistung durch entsprechende Steuerung des Vorschubs konstant hochgehalten und auf der anderen Seite Überlastungen der Schleifscheibe mit der Gefahr ihrer Zerstörung durch Überhitzung des die Diamanten enthaltenden Einbettungsmaterials verhindert werden soll.


Anspruch[de]
  1. 1. Arbeitsspindel für hohe Biegebelastung, die an zwei im Axialabstand angeordneten Stellen Mittel zur Erzeugung von drehwinkelbezogenen Impulssignalen trägt, deren torsionsabhängige Phasenverschiebung als Maß für das übertragene Drehmoment verwendbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsspindel (12) aus einer in axial beabstandeten Lagern (14, 16/18) gelagerten, weitgehend biege- und torsionssteifen Hohlwelle (44) und einer von dieser umschlossenen torsionselastische Zentralwelle (48) besteht, die am abtriebseitigen Ende drehfest miteinander verbunden sind, wobei das Antriebsmoment über das aus der Hohlwelle (44) vorstehende freie Ende (40) der Zentralwelle (48) eingeleitet wird und die Mittel zur Erzeugung der Impulssignale (60, 62, 66, 68) an den unverbundenen Enden der Wellen (44, 48) angeordnet sind.
  2. 2. Arbeitsspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentralwelle (48) als Vollwelle ausgebildet ist.
  3. 3. Arbeitsspindel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentralwelle (48) innerhalb der Hohlwelle (44) einen im Durchmesser geschwächten Abschnitt aufweist.
  4. 4. Arbeitsspindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwelle (44) von einem mit einer zentralen Bohrung (46) versehenen Teil einer Vollwelle gebildet ist, deren abtriebseitiges Ende (25) massiv belassen und mit einem Sitz zur Anbringung eines Werkzeugs (26) versehen ist, und daß die Zentralwelle (48) in einen Endabschnitt (52) der zentralen Bohrung (46) der Hohlwelle (44) eingepreßt ist.
  5. 5. Arbeitsspindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentralwelle (48) in der Hohlwelle (44) an deren freiem Ende gelagert ist.
  6. 6. Arbeitsspindel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lagerung der Zentralwelle (48) in der Hohlwelle (44) ein Nadellager (56) angeordnet ist.
  7. 7. Arbeitsspindel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lagerung der Zentralwelle in der Hohlwelle ein trockengeschmiertes Gleitlager vorgesehen ist.
  8. 8. Arbeitsspindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung der Impulssignale Zahnkränze (60, 62) sind, die mit davon berührungslos beeinflußbaren, stationär angebrachten Meßwertgebern (66, 68) zusammenarbeiten.
  9. 9. Arbeitsspindel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertgeber (66, 68) Hall-Sensoren sind.
  10. 10. Arbeitsspindel nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende (58) der Hohlwelle (44) selbst als Zahnkranz (60) ausgebildet ist, während der andere Zahnkranz (62) ein getrenntes Ringteil (64) ist, das auf den vorstehenden Teil (40) der Zentralwelle (48) drehfest aufgebracht, insbesondere aufgeschrumpft ist.






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