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Schnellfrequenzspindel mit elektromotorischem Direktantrieb - Dokument DE4316411C1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE4316411C1 26.05.1994
Titel Schnellfrequenzspindel mit elektromotorischem Direktantrieb
Anmelder Precise Präzisionsspindeln GmbH, 5653 Leichlingen, DE
Erfinder Mayer, Anton, Dr.-Ing., 5650 Solingen, DE;
Paul, Michael, Dipl.-Ing., 5000 Köln, DE
Vertreter Palgen, P., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., 40239 Düsseldorf; Schumacher, H., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 45133 Essen
DE-Anmeldedatum 17.05.1993
DE-Aktenzeichen 4316411
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 26.05.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.05.1994
IPC-Hauptklasse B23Q 5/10
IPC-Nebenklasse H02K 7/14   
IPC additional class // H02P 7/42  
Zusammenfassung Die Schnellfrequenzspindel (100) umfaßt einen zylindrischen Gehäuseteil (1), in welchem eine Spindelwelle (30), die fast die ganze Ausnehmung (7) ausfüllt, auf Lageranordnungen (8, 9) gelagert ist. An dem Ende des Gehäuseteils (1) befindet sich eine Trennstelle (3), an der der den Elektromotor (40) enthaltende Gehäuseteil (4) abtrennbar ist. Auch die Spindelwelle (30) besitzt eine Trennstelle (31). Der über die Trennstelle (31) hinausragende Teil (30') der Spindelwelle (30) trägt den Rotor (32) des Elektromotors (40), der fliegend gelagert ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schnellfrequenzspindel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Schnellfrequenzspindeln stellen Werkzeugmaschineneinheiten dar, die für die üblichen Bearbeitungsaufgaben wie Fräsen, Bohren, Schleifen und dergleichen dienen, jedoch kein eigenes Maschinengestell besitzen. Sie werden vielmehr an ihrem zumindest in axialen Abschnitten zylindrischen Gehäuse in eine externe Aufspannvorrichtung eingespannt. Der direkt auf die Spindel wirkende Elektromotor erzeugt hohe Drehzahlen im Bereich von über 10 000 bis über 100 000 U/min. Die Elektromotoren werden mit einer erhöhten Frequenz gespeist, die durch einen Frequenzumformer oder in ähnlicher Weise gewonnen wird.

Die Durchmesser dieser Schnellfrequenzspindeln sind nicht allzu groß und liegen etwa im Einspannbereich von 40 bis 150 mm. Wegen der hohen Arbeitsdrehzahlen ist dennoch die benötigte Leistung vergleichsweise hoch.

Eine derartige Schnellfrequenzspindel ist in der DE- PS 21 10 662 beschrieben. Der Rotor des Elektromotors ist hierbei unmittelbar auf der Spindelwelle angebracht, die an beiden Enden außerhalb des Rotors in Lageranordnungen im Gehäuse gelagert ist. Die axial äußere Lageranordnung liegt in der Nähe des dortigen Gehäuseendes. Die Werkzeugaufnahme ist in dem über das Lager nach außen vorstehenden Ende der Spindelwelle untergebracht.

Der Durchmesser des Elektromotors, der in dem Gehäuse untergebracht ist, ist durch dessen Innendurchmesser begrenzt. Zur Erzielung einer maximalen Leistungsausbeute des Elektromotors hat der den Rotor tragende Wellenteil nur einen geringen Durchmesser und ist dementsprechend biegeweich. Bei seitlich auf das aus dem Wellenende hervorstehende Werkzeug, zum Beispiel beim Fräsen oder Schleifen, einwirkenden Kräften biegt sich die Welle zwischen den Lageranordnungen also leicht etwas durch, so daß der Rotor aus der Achse kommt und Schwingungen entstehen können.

Änderungen an dem Motor oder ein Auswechseln desselben erfordern eine weitgehende Demontage der Schnellfrequenzspindel. Ein Auswechseln des Motors gegen einen solchen mit anderen Abmessungen ist nicht oder nur mit großen Schwierigkeiten möglich.

Das Problem der Wellensteifigkeit ist bei einer aus der Praxis bekannten Schnellfrequenzspindel dadurch gelöst, daß der Motor aus dem Bereich der Lageranordnungen der Spindel axial hinwegverlegt worden ist. Dadurch kann der Innendurchmesser des Gehäuses zwischen den Lageranordnungen der Spindel ganz für eine im Durchmesser fast den Innendurchmesser des Gehäuses erreichende und entsprechend biegesteife Welle genutzt werden.

Der Elektromotor schließt sich auf der der Werkzeugaufnahme abgewandten Seite an die Spindel an und hat eine eigene Welle, die auf beiden axialen Seiten in eigenen Lageranordnungen gelagert ist. Die Drehverbindung zwischen dem Elektromotor und der Spindelwelle erfolgt durch eine biegeweiche, torsionssteife Kupplung (z. B. Metallfaltenbalg). Im Bereich des der Werkzeugaufnahme zugewandten Endes des Motors ist das Gehäuse senkrecht zur Achse geteilt. Dies gilt auch für die Motorwelle, die mit der Spindelwelle nicht einstückig ist, sondern axial von der Spindelwelle abziehbar ist.

Es sind hierbei zwar die eingangs genannten Probleme der aus baulichen Gründen fehlenden Biegefestigkeit der Spindelwelle und der nicht leichten Auswechselbarkeit des Motors gelöst, doch wird dies mit einer erhöhten Baulänge und mit einem erheblich erhöhten baulichen Aufwand, zum Beispiel in Gestalt der vier Lageranordnungen, erkauft, die auch Anlaß zu unerwünschten Schwingungen des Systems sein können, z. B. durch Fluchtungsfehler der beiden Achsen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schnellfrequenzspindel der gattungsgemäßen Art so zu gestalten, daß bei optimaler Biegefestigkeit der Spindelwelle in dem der Werkzeugaufnahme zugewandten Bereich Baulänge und baulicher Aufwand möglichst gering und Auswechslungen der Komponenten Spindelwelle, Elektromotor und gegebenenfalls weiterer Komponenten erleichtert sind.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 wiedergegebene Erfindung gelöst.

Die fliegende Befestigung des Rotors des Elektromotors auf dem Ende der Spindelwelle bedeutet, daß die bei der bekannten Ausführungsform vorhandene eigene Lagerung des Rotors eingespart wenn kann. Die Befestigung des Rotors an der Spindelwelle ist lösbar, um eine Trennung von Spindelwelle und Rotor zu ermöglichen. Diese Trennung wird unterstützt durch die Trennstelle im Gehäuse, die etwa in dem Bereich der Trennung von Elektromotor und Spindelwelle gelegen ist.

Der hierbei zugrundeliegende Aspekt ist der des Aufbaus der Schnellfrequenzspindel aus modulartigen, in sich im wesentlichen geschlossenen Baugruppen, die gegeneinander ausgewechselt werden können, so daß nicht nur eine Auswechslung bei Schäden oder Verschleiß möglich ist, sondern auch durch unterschiedliche Kombination der modulartigen Baugruppen unterschiedliche Schnellfrequenzspindeln zusammengebaut werden können. Das Ziel hierbei ist, von den einzelnen modulartigen Baugruppen größere Stückzahlen auf einmal herstellen und auf Lager halten zu können, wobei die einzelnen Baugruppen in unterschiedlichen Geräten eingesetzt werden können und sich durch diese größeren Stückzahlen die Herstellungskosten verringern lassen.

Eine wichtige Ausgestaltung auf dem Wege zu einem modularen Aufbau eines Schnellfrequenzspindelsystems ist im Anspruch 2 angegeben.

Die Bedeutung dieser Ausgestaltung liegt darin, daß der den Rotor tragende Wellenzapfen, der Teil der Spindelwelle ist, an dem Rotor bleiben kann, so daß der Rotor mit seinem Wellenzapfen eine in sich geschlossene Einheit bildet, die insgesamt gehandhabt wird, um nicht den Rotor von der Welle demontieren oder auf diese aufmontieren zu müssen.

Die Verbindung des den Rotor tragenden, einen Teil der Spindelwelle bildenden Wellenzapfens mit dem Rest der Spindelwelle muß natürlich hohe Anforderungen an die Stabilität und Fluchtgenauigkeit erfüllen, die durch die Merkmale des Anspruchs 3 erfüllt werden können.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Anspruch 4 ist die Trennstelle der Spindelwelle axial außerhalb der beiden Lageranordnungen gelegen.

Dieses Merkmal ist dem modularen Aufbau besonders förderlich, weil nämlich die Spindelwelle mit den beiden Lageranordnungen in dem zugeordneten Gehäuseteil ein in sich geschlossenes Bauteil bildet, welches mit dem ebenso gestalteten, den Elektromotor enthaltenden Gehäuseteil zusammenfügbar ist.

Es ist aber auch die Ausführungsform nach Anspruch 5 nicht ausgeschlossen, wonach die Trennstelle zwischen den beiden Lageranordnungen der Spindelwelle gelegen ist.

Der Gedanke des modularen Aufbaus ist nicht nur an dem Übergang zwischen dem Hauptteil der Spindelwelle und dem sie antreibenden Elektromotor verwirklicht, sondern kann auch noch in weiteren Trennstellen des Gehäuses realisiert werden, insbesondere auf der Außenseite des Elektromotors, wie es im Anspruch 6 beschrieben ist.

Der hauptsächliche Anwendungsfall hierfür ist die Anbringung eines Betätigers für die Werkzeugaufnahme am äußeren Ende der Schnellfrequenzspindel. Die stangenförmigen Betätigungsglieder erstrecken sich der Länge nach durch die zentrale Bohrung der Spindelwelle bis zu der Werkzeugaufnahme. Diese Art von Schnellfrequenzspindeln kommt besonders für automatischen Werkzeugwechsel in Betracht.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung im Längsschnitt dargestellt.

Fig. 1 und 2 zeigen Schnellfrequenzspindeln mit modularem Aufbau und unterschiedlichen Elektromotoren;

Fig. 3 ist eine Teilansicht einer anderen Ausführungsform der Trennstelle der Spindelwelle;

Fig. 4 ist eine den Fig. 1 und 2 entsprechende Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Schnellfrequenzspindel.

Soweit in den einzelnen Ausführungsformen funktionell einander entsprechende Teile vorhanden sind, sind die Bezugszahlen gleich.

Die als Ganzes mit 100 bezeichnete Schnellfrequenzspindel der Fig. 1 umfaßt ein Gehäuse 10, welches einen vorderen, d. h. der Werkzeugaufnahme 20 zugewandten Gehäuseteil 1 mit zylindrischer Außenumfangsfläche besitzt. Im Bereich des der Werkzeugaufnahme 20 abgewandten Endes springt der zylindrische Außenumfang des Gehäuseteils 1 in einem zylindrischen Umfangsbund 2 radial auf einen größeren Durchmesser vor. An der gemäß Fig. 1 rechten Stirnfläche des Bundes 2 ist eine Trennstelle 3 gebildet, an die sich ein zylindrischer Gehäuseteil 4 anschließt, dessen Außendurchmesser dem Außendurchmesser des Bundes 2 entspricht. An einer weiteren Trennstelle 5 am rechten Ende des Gehäuseteils 4 schließt sich ein weiterer zylindrischer Gehäuseteil 6 gleichen Außendurchmessers an. Insgesamt hat also das Gehäuse 10 der Schnellfrequenzspindel 100 einen vorderen zylindrischen Teil 1 eines bestimmten Durchmessers und einen hinteren zylindrischen Teil 2, 4, 6 etwas vergrößerten Durchmessers.

Die Werkzeugaufnahme 20 ist an dem aus dem Gehäuseteil 1 nach links hervorstehenden Ende einer als Ganzes mit 30 bezeichneten Spindelwelle angeordnet. Der Gehäuseteil 1 ist rohrförmig mit einer den Stabilitätsforderungen entsprechenden Wanddicke und besitzt eine zylindrische Ausnehmung 7, die von der Spindelwelle 30 fast ausgefüllt wird. Der Radius der Ausnehmung 7 und damit der Spindelwelle 30 ist in dem Ausführungsbeispiel etwa das Anderthalbfache der Wanddicke des Gehäuseteils 1.

Die Spindelwelle 30 ist in dem Gehäuseteil 1 auf Lageranordnungen 8 bzw. 9 gelagert, die im Bereich des der Werkzeugaufnahme 20 zugewandten Endes und im Bereich des anderen Endes des Gehäuseteils 1 vorgesehen sind und in dem Ausführungsbeispiel jeweils aus zwei in Achsrichtung gestaffelten Einzelkugellagern bestehen. Der axiale Abstand der Mitten der Lageranordnungen 8, 9 beträgt in dem Ausführungsbeispiel etwas das Fünffache des Radius der Spindelwelle 30.

Die Spindelwelle umfaßt eine zentrale Längsausnehmung 11, durch die sich eine Zugstange 12 hindurch erstreckt, die unter der Wirkung einer sie umgebenden, in der Längsausnehmung 11 angeordneten Tellerfeder 13 gemäß Fig. 1 nach rechts beaufschlagt ist. Die Zugstange 12 wirkt auf eine in der Werkzeugaufnahme 20 vorhandene Spannzangenanordnung 14, die in Fig. 1 in der unteren Hälfte in der Lösestellung, in der oberen Hälfte in der Spannstellung dargestellt ist.

Auch die Spindelwelle 30 besitzt eine Trennstelle 31, die bei der Schnellfrequenzspindel 100 im Bereich des in Fig. 1 rechten Endes des Gehäuseteils 1 gelegen ist. Der über die Trennstelle 31 hinausragende Teil 30&min; der Spindelwelle 30 bildet den Wellenzapfen, der den Rotor 32 des als Ganzes mit 40 bezeichneten Elektromotors trägt, der in dem Gehäuseteil 4 angeordnet ist und dessen darin befestigter Stator die Bezugszahl 33 trägt.

Der Teil 30&min; der Spindelwelle 30 besitzt einen koaxialen Gewindezapfen 34 verringerten Durchmessers, der sich in eine entsprechende Gewindebohrung an dem in Fig. 1 rechten Ende der Spindelwelle 30 einschrauben läßt. An den Gewindezapfen 34 schließt sich gegen den Elektromotor 40 hin eine präzise Zylinderfläche 35 an, an der die Teile 30, 30&min; radial aneinander geführt sind. Das stirnseitige Ende der Spindelwelle 30 ist durch eine zur Achse senkrechte Fläche 36 gebildet, die gegen einen radial vorspringenden Bund 37 des Teils 30&min; der Spindelwelle 30 unter axialem Druck anliegt, der durch Betätigung des Gewindezapfens 34 erzeugt wird.

Der Teil 30&min; der Spindelwelle 30 kragt also von deren Ende frei vor und trägt den Rotor 32, der keine eigene Lagerung aufweist. Die Anordnung kann so getroffen sein, daß sich der Elektromotor 40 an der Trennstelle 31 unmittelbar an das Ende des Gehäuseteils 1 anschließt.

Es ist erkennbar, daß der Gehäuseteil 4 mit dem Stator 33 an der Trennstelle 3 von dem Gehäuseteil 1 gemäß Fig. 1 nach rechts abgezogen werden kann. Sodann kann der Teil 30&min; der Spindelwelle 30 mit dem Rotor 32 abgeschraubt und durch ein anderes Teil ersetzt werden.

An dem in Fig. 1 rechten Ende des Gehäuseteils 4 ist an der Trennstelle 5 der Gehäuseteil 6 abziehbar, der einen Betätiger 26 für die Werkzeugaufnahme 20 umfaßt. Der Betätiger 26 umfaßt einen koaxial in den Gehäuseteil 6 eingesetzten Zylinder 27 mit einem darin unter der Wirkung eines durch einen Einlaß 38 eingeleiteten Druckmediums verschiebbaren Kolben 39, mit dem ein sich durch eine zentrale Bohrung 41 des Teils 30&min; der Spindelwelle 30 hindurcherstreckender Druckstift 42 verbunden ist, der gegen das rechte Ende der Zugstange 12 wirkt. In der unteren Hälfte der Fig. 1 ist der Zustand dargestellt, in welchem Druckmedium eingeleitet und die Werkzeugaufnahme 20 auf Lösen betätigt ist. In der oberen Hälfte ist der Kolben 39 drucklos und wird die Werkzeugaufnahme 20 durch die Tellerfeder 13 gespannt. Der Kolben 39 wird durch Federn 43 in diese Lage, in der das rechte Ende der Zugstange 12nicht beaufschlagt ist, zurückgeholt.

Wichtig ist, daß die Schnellfrequenzspindel 100 an den Trennstellen 3 und 5 zerlegt und auch die Spindelwelle 30 an der Trennstelle 31 unterteilbar ist. Die Gehäuseteile 1, 4 und 6 bilden Module, die ausgetauscht und kombiniert werden können (Spindellagermodule, Antriebsmodule und Betätigungsmodule). Ein Beispiel hierfür ist in Gestalt der Schnellfrequenzspindel 200 in Fig. 2 wiedergegeben. Die Gehäuseteile 1 und 6 stimmen mit ihrem inneren Aufbau mit den entsprechenden Gehäuseteilen der Schnellfrequenzspindel 100 überein. Der Gehäuseteil 4&min; jedoch weist einen vergrößerten Durchmesser auf und enthält einen Motor 40&min; vergrößerter Leistung. Durch den modulartigen Aufbau des Systems können auf diese Weise verschiedene Typen von Schnellfrequenzspindeln zusammengestellt werden.

Die Trennstelle 31 in der Spindelwelle 30 muß präzise ausgeführt sein, um einen exakten Rundlauf des Rotors 32, der ja nur auf dem frei vorkragenden Teil 30&min; gehalten ist, zu gewährleisten. Die Konstruktion im einzelnen kann jedoch unterschiedlich ausgebildet sein. In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform der Trennstelle 31 wiedergegeben, bei der die Anlage der auch hier vorhandenen, zur Achse senkrechten Anlageflächen 36, 37 nicht durch einen Gewindezapfen 34, sondern durch eine Anordnung von von außen betätigbaren Zugklauen 44 herbeigeführt wird.

Bei der Schnellfrequenzspindel 300 der Fig. 4 ist die Spindelwelle 30 in Lageranordnungen 8, 9 an den Enden des Gehäuseteils 1 gelagert. Der Gehäuseteil 4 schließt sich an den Gehäuseteil 1 an und enthält den Elektromotor 40. In dem Ausführungsbeispiel ist allerdings für den Betätiger 26 für die Werkzeugaufnahme kein eigener Gehäuseteil 6 vorgesehen.

Der Unterschied zu den Schnellfrequenzspindeln 100 und 200 besteht insbesondere darin, daß die Trennstelle 31&min; der Spindelwelle 30 nicht außerhalb der Lageranordnungen 8, 9 gelegen ist, sondern dazwischen. Der den Rotor 32 des Elektromotors 40 tragende Teil 30&min; greift wiederum mit einem Gewindezapfen 34 in eine Ausnehmung der Spindelwelle 30 ein. Die zur Achse senkrechten Anlageflächen 36, 37 liegen gemäß Fig. 4 links von der Lageranordnung 9. Das bedeutet, daß zwar der Modulaufbau immer noch gegeben ist, weil mit dem Gehäuseteil 1 unterschiedliche Gehäuseteile 4 mit entsprechend unterschiedlichen Elektromotoren 40 zusammengefügt werden können, doch bedarf es in diesem Fall einer Demontage der Lageranordnung 9, während bei den Schnellfrequenzspindeln 100 und 200 die Spindelwelle 30 mit ihren Lageranordnungen 8, 9 bei einem Wechsel des Gehäuseteils 4 unangetastet bleibt.

In den Wandungen des Gehäuses 10 verlaufen nicht dargestellte Kanäle für die Schmierung und gegebenenfalls Kühlung der Schnellfrequenzspindeln.


Anspruch[de]
  1. 1. Schnellfrequenzspindel für hohe Drehzahlen mit elektromotorischem Direktantrieb,

    mit einem Gehäuse (10; 1, 4, 6),

    mit einer in dem Gehäuse (10; 1, 4, 6) auf einen Abstand voneinander aufweisenden Lageranordnungen (8, 9) gelagerten Spindelwelle (30),

    mit einer Werkzeugaufnahme (20) an einem aus dem Gehäuse (10; 1, 4, 6) austretenden Ende der Spindelwelle (30),

    mit einem an dem anderen Ende der Spindelwelle (30) angeordneten, mit der Spindelwelle (30) drehverbundenen, zu der Spindelwelle (30) gleichachsig umlaufenden Elektromotor (40; 40&min;),

    dadurch gekennzeichnet,

    daß der Rotor (32; 32&min;) des Elektromotors (40; 40&min;) fliegend auf dem anderen Ende der Spindelwelle (30) lösbar befestigt ist und das Gehäuse (10; 1, 4, 6) im Bereich des der Werkzeugaufnahme (20) zugewandten Endes des Elektromotors (40; 40&min;) an einer Trennstelle (3) senkrecht zur Achse geteilt ist.
  2. 2. Schnellfrequenzspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spindelwelle (30) an einer Trennstelle (31) senkrecht zur Achse geteilt ist und der dem Elektromotor (40; 40&min;) zugewandte Teil (30&min;) einen den Rotor (32; 32&min;) tragenden Wellenzapfen bildet.
  3. 3. Schnellfrequenzspindel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile der Spindelwelle (30; 30&min;) an der Trennstelle (31) senkrecht zur Achse verlaufende Anlageflächen (36; 37) umfassen und unter axialer Spannung in ausrichtender Anlage aneinander gehalten sind.
  4. 4. Schnellfrequenzspindel nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennstelle (31) der Spindelwelle (30; 30&min;) axial außerhalb der beiden Lageranordnungen (8; 9) auf der dem Elektromotor (40; 40&min;) zugewandten Seite der Spindelwelle (30; 30&min;) gelegen ist.
  5. 5. Schnellfrequenzspindel nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennstelle (31&min;) der Spindelwelle (30; 30&min;) axial zwischen den beiden Lageranordnungen (8; 9) gelegen ist.
  6. 6. Schnellfrequenzspindel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Werkzeugaufnahme (20) abgewandten Seite des Elektromotors (40; 40&min;) das Gehäuse (10; 1, 4, 6) an einer weiteren Trennstelle (5) senkrecht zur Achse geteilt ist.
  7. 7. Schnellfrequenzspindel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der außerhalb der weiteren Trennstelle (5) gelegene Teil (6) des Gehäuses (10; 1, 4, 6) zur Aufnahme eines Betätigers (26) für die Werkzeugaufnahme (20) dient.






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