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Dokumentenidentifikation DE10163089C1 03.07.2003
Titel Motorspindel mit Stellelement
Anmelder Paul Müller GmbH & Co. KG Unternehmensbeteiligungen, 90411 Nürnberg, DE
Erfinder Wehrfritz, Heinz, 90562 Kalchreuth, DE
Vertreter Lösch, C., Dipl.-Wirtsch.-Ing., Pat.-Anw., 90411 Nürnberg
DE-Anmeldedatum 20.12.2001
DE-Aktenzeichen 10163089
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 03.07.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.07.2003
IPC-Hauptklasse B23Q 5/10
IPC-Nebenklasse B23B 19/02   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Motorspindel 1 mit einer Spindelwelle 2 zur Aufnahme eines Werkzeugs 6, wobei die Spindelwelle 2 im Gehäuse 3 der Motorspindel 1 in einer Festlagerung 4 und einer Loslagerung 5 mit einer axial verschiebbaren Lagerbüchse 12 aufgenommen ist, das aufgenommene Werkzeug 6 das bearbeitete Werkstück 7 bei angetriebener Spindelwelle 2 an einer Werkzeugschnittstelle kontaktiert und ein Stellelement zur Einstellung der axialen Verschiebbarkeit der Lagerbüchse 12 der Motorspindel 1 vorgesehen ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Motorspindel mit einer Spindelwelle zur Aufnahme eines Werkzeugs mit den weiteren Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Einstellung der axialen Verschiebbarkeit der Lagerbüchse der Loslagerung einer Motorspindel mit einer Spindelwelle.

Als Stand der Technik ist aus der 101 23 717 A1 (Anmelder: Paul Müller GmbH & Co. KG Unternehmensbeteiligungen) eine Motorspindeln mit Werkzeugen bekannt, die zur Bearbeitung von Werkstücken insbesondere mit automatisiertem Werkzeug- oder Werkstückwechsel eingesetzt wird. Die Welle einer derartigen Motorspindel kann eine Festlagerung und eine Loslagerung besitzen, wobei die Loslagerung in einer axial verschiebbaren Lagerbüchse aufgenommen sein kann.

Als Stand der Technik ist ferner aus der DE 34 48 382 C2 ein Positionierantrieb für eine Werkzeugmaschine bekannt, der eine erste von einem Positioniermotor drehantreibbare Teilwelle mit einer ersten Teilschnecke und eine zweite Teilwelle mit einer zweiten Teilschnecke aufweist, wobei die zweite Teilwelle zur ersten Teilwelle koaxial und dazu axial beweglich und radial unbeweglich geführt ist. Ferner ist eine Positioniersteuerung zur Steuerung des Positioniermotors vorgesehen, wobei mit der Positioniersteuerung eine Steuerung für ein Druckmedium vorgesehen ist, welches zur Beaufschlagung eines Plungers zur Einstellung der axialen Vorspannung der ersten Teilwelle dient.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Motorspindel sowie ein Verfahren anzubieten, bei denen die Lagerung an unterschiedliche Betriebsbedingungen angepaßt werden kann.

Diese Aufgabe wird für die Motorspindel durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Motorspindel werden in den Unteransprüchen 2-11 beschrieben. Für das Verfahren wird die Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 10 beschrieben. Vorteilhafte Verfahrensvarianten finden sich in den Unteransprüchen 13 -15.

Die erfindungsgemäße Motorspindel besitzt ein Stellelement zur Einstellung der axialen Verschiebbarkeit der Lagerbüchse und damit der Steifigkeit der Motorspindel. Die Steifigkeit einer Motorspindel ist ein Maß für die Belastbarkeit gegenüber auftretenden Reaktionskräften der Motorspindel bei der Werkstückbearbeitung. Generell ist bei der Bearbeitung des Werkstücks eine erhöhte Steifigkeit zur Erzielung geringer Bearbeitungstoleranzen wünschenswert. Beim Heranfahren der Motorspindel im Eilgang z. B. nach einem erfolgten Werkstückwechsel und einer Kontaktierung des Werkstücks durch das Werkzeug kann eine verminderte Steifigkeit zur Abdämpfung des Kontaktstoßes zwischen Werkzeug und Werkstück wünschenswert sein. Erfindungsgemäß dient das Stellelement zur jeweils günstigen Einstellung der Steifigkeit abhängig vom Betriebszustand der Motorspindel.

In einer ersten Ausführungsform kann das Stellelement einen Kolben aufweisen, wobei ein Zylinder zur Betätigung des Kolbens vorgesehen sein kann. Dabei kann das Stellelement auf die Lagerung der Motorspindel, insbesondere auf die Loslagerung, wirken und zur Erhöhung der Steifigkeit (Vorspannung) eine in axialer Richtung der Welle wirkende Gegenkraft in die Motorspindel einleiten. Bei Einleitung einer erhöhten Gegenkraft wird die Steifigkeit der Spindelwelle erhöht und bei Einleitung einer verminderter Gegenkraft die Steifigkeit vermindert, wie dies z. B. beim Werkstückwechsel von Vorteil sein kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das Stellelement ein aufweitbares Ringelement aufweisen, das ebenfalls im Bereich der Loslagerung der Motorspindel angebracht sein kann. Bei Verwendung einer an sich bekannten Lagerbüchse zur Realisierung der Loslagerung kann die axiale Beweglichkeit der Lagerbüchse durch Reibungskräfte des Ringelements verändert werden. Je nach Aufweitungsgrad kann das Ringelement erhöhte oder verringerte Reibkräfte erzeugen, welche die axiale Bewegung der Lagerbüchse erleichtern oder erschweren, wodurch die axiale Steifigkeit (Vorspannung) der Motorspindel vermindert oder erhöht wird.

Das Stellelement kann auf an sich bekannte Art und Weise betätigt werden, also z. B. pneumatisch oder hydraulisch.

Um die Nebenzeiten beim Werkzeug- oder Werkstückwechsel zu vermindern, werden Vorschub und im Zusammenhang mit dem Werkstückwechsel stehende Bewegungen der Motorspindel in einem Eilgang mit erhöhter Geschwindigkeit ausgeführt. Wenn sich Werkzeug und Werkstück wieder im Eingriff befinden, muß ein Arbeitsgang mit verminderter Vorschubgeschwindigkeit eingestellt werden.

Erfindungsgemäß wird nun angestrebt, einen möglichst großen Anteil der Nebenzeiten beim Werkstückwechsel im Eilgang durchzuführen und erst zu einem möglichst späten Zeitpunkt wieder auf den Arbeitsgang mit verminderter Vorschubgeschwindigkeit umzustellen.

Hierzu besitzt die Motorspindel vorteilhafterweise einen Wegsensor zur Ermittlung des Zeitpunkts der Kontaktierung des Werkzeugs mit dem Werkstück. Nach einem erfolgten Werkzeug- oder Werkstückwechsel werden Werkzeug und Werkstück aneinander herangefahren, und zwar im Eilgang. Erst dann, wenn der erfindungsgemäße Wegsensor eine stoßartige Wegänderung der Welle und damit der Lagerbüchse feststellt, wird von der Motorspindel detektiert, daß das Werkzeug das Werkzeug kontaktiert hat und es wird vom Eilgang mit erhöhter Vorschubgeschwindigkeit auf den Arbeitsgang mit geringerer Vorschubgeschwindigkeit zur Bearbeitung des Werkstücks umgeschaltet. Der Wegsensor ermöglicht damit die Ermittlung des Umschaltzeitpunkts von Eilgang auf Arbeitsgang. Eine zu frühe Umstellung vom Eilgang auf den Arbeitsgang und eine damit verbundene unerwünschte Erhöhung der Nebenzeiten wird vermieden.

Vorteilhafterweise wird ein an sich bekanntes Vorschubelement, welches zur Ausrichtung und zur Vorschubbewegung (hin bzw. weg vom Werkstück) dient, verwendet. In diesem Vorschubelement kann mindestens ein Eilgang zur beschleunigten Bewegung des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück und mindestens ein Arbeitsgang zur verlangsamten Bewegung des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück eingestellt werden.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Einstellung der axialen Verschiebbarkeit der Lagerbüchse der Loslagerung einer Motorspindel mit einer Spindelwelle wird die axiale Verschiebbarkeit der Lagerbüchse der Motorspindel zur Anpassung an unterschiedliche Betriebsbedingungen über ein Stellelement eingestellt.

Gemäß einer vorteilhaften Verfahrensvariante wird über einen Wegsensor beim Werkzeugwechsel der Zeitpunkt der Kontaktierung des Werkzeugs mit dem Werkstück erfaßt und dabei von einem Eilgang mit erhöhter Vorschubgeschwindigkeit auf einen Arbeitsgang mit verminderter Vorschubgeschwindigkeit umgeschaltet.

Zur Steuerung der Vorschubbewegung des Werkzeugs wird über einen Wegsensor beim Werkzeugwechsel der Zeitpunkt der Kontaktierung des Werkzeugs mit dem Werkstück erfaßt und dabei von einem Eilgang mit erhöhter Vorschubgeschwindigkeit (nach dem Werkstückwechsel eingestellt wird) auf einen Arbeitsgang mit verminderter Vorschubgeschwindigkeit umgeschaltet. Durch den Wegsensor wird der Zeitpunkt einer Umschaltung vom Eilvorschub auf den Arbeitsvorschub ermittelt, so daß eine zu frühe Umschaltung und damit eine unerwünschte Erhöhung der Nebenzeiten beim Werkzeugwechsel vermieden wird.

Vorteilhafterweise wird beim Heranfahren des (neuen) Werkzeugs an das zu bearbeitende Werkstück die Steifigkeit der Spindelwelle der Motorspindel vermindert, um ein schonendes Kontaktieren des Werkstücks durch das Werkzeug zu ermöglichen. Nach erfolgter Kontaktierung von Werkzeug und Werkstück kann die Steifigkeit zur Verringerung von Bearbeitungstoleranzen bei der Bearbeitung des Werkstücks wieder erhöht werden.

Erfindungsgemäß wird ferner eine Verwendung eines an sich bekannten Wegsensors in einer beschriebenen Maschinenspindel zur Erfassung des Zeitpunkts der Kontaktierung des Werkzeugs mit dem Werkstück vorgeschlagen um bei Kontaktierung von einem Eilgang mit erhöhter Vorschubgeschwindigkeit (der während des bereits beschriebenen Werkzeug- oder Werkstückwechsels eingestellt wird) auf einen Arbeitsgang mit verminderter Vorschubgeschwindigkeit umzuschalten.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Motorspindel im Längsschnitt mit einer ersten Ausführungsform eines Stellelements,

Fig. 2 eine Motorspindel im Längsschnitt mit einer zweiten Ausführungsform eines Stellelements sowie

Fig. 3 eine Motorspindel im Längsschnitt mit einer dritten Ausführungsform eines Stellelements.

Fig. 1 zeigt eine Motorspindel 1 im Längsschnitt mit einer Spindelwelle 2 und einem Gehäuse 3. Die Spindelwelle 2 wird über den an sich bekannten Antrieb 11 angetrieben. Ferner ist die Spindelwelle 2 in einer Festlagerung 4 und einer Loslagerung 5 im Gehäuse 3 aufgenommen. Dabei sind Festlagerung 4 und Loslagerung 5 über eine kraftbeaufschlagte Lagerbüchse 12 gegeneinander vorgespannt. Die Kraftbeaufschlagung der Lagerbüchse 12 kann durch ein Federelement 13, hydraulisch, pneumatisch und/oder magnetisch erfolgen. An der Spindelwelle 2 ist in einem schematisch dargestellten Spannsystem 14 das Werkzeug 6 (z. B. eine Topfschleifscheibe) aufgenommen, welche sich im Eingriff mit dem Werkstück 7 (z. B. einer Siliziumoberfläche) befindet.

Aus Fig. 1 geht ein als Kolben 9 ausgebildetes Stellelement hervor. Der Kolben 9 ist in einem Zylinder 17 z. B. mit einer Flüssigkeit 18 aufgenommen. Durch Druckbeaufschlagung der Flüssigkeit 18 kann der Kolben 9 entgegen Richtung 15 verschoben werden, wobei über ein mit der Lagerbüchse 12 verbundenes Übertragungselement 19 des Kolbens 9 eine axiale Kraft entgegen Richtung 15 in die Lagerbüchse 12 und damit in die Loslagerung 5 der Motorspindel 1 eingeleitet wird. Hierdurch wird die axiale Steifigkeit (Vorspannung) der Motorspindel 1 erhöht.

Durch Druckabbau im Zylinder 17 kann in entgegengesetzter Wirkungsweise die axiale Steifigkeit der Motorspindel 1 für die bereits beschriebene Anwendungsfälle vermindert werden. Der Zylinder 17 kann über ein Ventil 20 mit einer allgemein dargestellten und an sich bekannten Steuerung 21 sowie einer Druckquelle 22 verbunden sein.

Fig. 2 zeigt ein Stellelement nach Fig. 1, wobei die Flüssigkeit 18 elektro- oder magnetorheologisch ist, und durch Beaufschlagung mit sich ändernden elektrischen oder magnetischen Feldern z. B. einer Spule 28 ihre Viskosität verändert. Der Zylinder 17 ist über eine Verbindung 26 mit einem Behälter 27 verbunden. Bei Änderung der Viskosität der Flüssigkeit 18 ändert sich deren Fließverhalten und damit die Verschiebbarkeit des Kolbens 9 und des Stellelements.

Beim Werkstückwechsel wird die Motorspindel 1 in Richtung 15 über das an sich bekannte Vorschubelement (nicht näher abgebildet) vom Werkstück 7 entfernt und es kann das Werkstück 7 entnommen und ein neues Werkstück 7 eingelegt werden. Danach wird die Motorspindel 1 entgegen Richtung 15 wieder in Richtung des Werkstücks 7 bewegt. Wenn die Kontaktierung des Werkzeugs 6 mit dem neuen Werkstück 7 auftritt, also der in Fig. 1, 2 und 3 abgebildete Zustand, wird diese stoßartige Belastung der Spindelwelle 2 durch den Wegsensor 8 erfaßt.

Der Wegsensor 8 ermittelt eine stoßartige Belastung der Spindelwelle 2 in axialer Richtung (parallel zur Richtung 15). Dabei kann der Wegsensor 8 einen Abstand zu einer Bezugsfläche 16 der an sich bekannten Lagerbüchse 12 der Loslagerung 5 überwachen. Nach Detektion der stoßartigen Belastung der Spindelwelle 2 in axialer Richtung 15 wird der Vorschub der Motorspindel 1 entgegen Richtung 15 vom Eilgang auf den Arbeitsgang umgeschaltet. Der Wegsensor 8 ist hierbei auf an sich bekannte und nicht näher abgebildete Weise mit einem Element zur Steuerung des Vorschubelements verbunden.

Fig. 3 zeigt eine weitere alternative Realisierung des Stellelements als aufweitbares (elastisches) Ringelement 10, welches umlaufend eine Innenfläche 23 des Gehäuses 3 der Motorspindel 1 kontaktiert.

Der Wegsensor 8 ist dabei nicht näher abgebildet, kann jedoch analog zur Ausführungsform nach Fig. 1 vorgesehen sein. Ferner ist das Ringelement 10 in der Lagerbüchse 12 aufgenommen und wird über eine Zuführung 24 derart druckbeaufschlagt, daß eine Aufweitung des Ringelements 10 in Richtung 25 stattfindet, wodurch das Ringelement 10 an die Innenfläche 23 angepreßt wird und damit zwischen Innenfläche 23 und Ringelement 10 Reibkräfte auftreten, welche ein Verschieben der Lagerbüchse 12 in oder entgegen Richtung 15 erschweren.

Bei Druckabbau in der Zuführung 24 über eine Steuerung 21 sowie einer Druckquelle 22 vermindern sich die Reibkräfte zwischen Ringelement 10 und Innenfläche 23. Damit kann sich die Lagerbüchse 12 leichter bewegen. BEZUGSZEICHEN 1 Motorspindel

2 Spindelwelle

3 Gehäuse

4 Festlagerung

5 Loslagerung

6 Werkzeug

7 Werkstück

8 Wegsensor

9 Kolben

10 Ringelement

11 Antrieb

12 Lagerbüchse

13 Federelement

14 Spannsystem

15 Richtung

16 Bezugsfläche

17 Zylinder

18 Flüssigkeit

19 Übertragungselement

20 Ventil

21 Steuerung

22 Druckquelle

23 Innenfläche

24 Zuführung

25 Richtung

26 Verbindung

27 Behälter

28 Spule


Anspruch[de]
  1. 1. Motorspindel mit einer Spindelwelle zur Aufnahme eines Werkzeugs, wobei die Spindelwelle im Gehäuse der Motorspindel in einer Festlagerung und einer Loslagerung mit einer axial verschiebbaren Lagerbüchse aufgenommen ist und das aufgenommene Werkzeug das bearbeitete Werkstück bei angetriebener Spindelwelle an einer Werkzeugschnittstelle kontaktiert, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stellelement zur Einstellung der axialen Verschiebbarkeit der Lagerbüchse (12) der Motorspindel (1) vorgesehen ist.
  2. 2. Motorspindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement einen Kolben (9) aufweist.
  3. 3. Motorspindel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zylinder (17) zur Betätigung des Kolben (9) vorgesehen ist.
  4. 4. Motorspindel nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (17) mit einer elektrorheologischen oder magnetorheologischen Flüssigkeit (18) gefüllt ist.
  5. 5. Motorspindel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spule (28) zur Veränderung der Viskosität der Flüssigkeit (18) vorgesehen ist.
  6. 6. Motorspindel nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement ein aufweitbares Ringelement (10) aufweist.
  7. 7. Motorspindel nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement pneumatisch betätigbar ist.
  8. 8. Motorspindel nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement hydraulisch betätigbar ist.
  9. 9. Motorspindel nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorschubelement zur Erzeugung einer relativen Bewegung zwischen dem Werkzeug (6) und dem bearbeiteten Werkstück (7) vorgesehen ist.
  10. 10. Motorspindel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorschubelement mindestens einen Eilgang zur beschleunigten Bewegung des Werkzeugs (6) gegenüber dem Werkstück (7) und mindestens einen Arbeitsgang zur verlangsamten Bewegung des Werkzeugs (6) gegenüber dem Werkstück (7) aufweist.
  11. 11. Motorspindel nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wegsensor (8) zur Ermittlung des Zeitpunktes der Kontaktierung des Werkzeugs (6) mit dem Werkstück (7) bei einem Werkzeugwechsel vorgesehen ist.
  12. 12. Verfahren zur Einstellung der axialen Verschiebbarkeit der Lagerbüchse der Loslagerung einer Motorspindel mit einer Spindelwelle, insbesondere einer Motorspindel nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, die axiale Verschiebbarkeit der Lagerbüchse der Motorspindel über ein Stellelement eingestellt wird.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß über einen Wegsensor beim Werkzeugwechsel der Zeitpunkt der Kontaktierung des Werkzeugs mit dem Werkstück erfaßt und dabei von einem Eilgang mit erhöhter Vorschubgeschwindigkeit auf einen Arbeitsgang mit verminderter Vorschubgeschwindigkeit umgeschaltet wird.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß während des Heranfahrens des Werkzeugs an das Werkstück in einem Eilgang die Steifigkeit der Spindelwelle der Motorspindel vermindert wird.
  15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12-14, dadurch gekennzeichnet, daß die Steifigkeit der Spindelwelle der Motorspindel bei Kontaktierung des herangefahrenen Werkzeugs mit dem Werkstück erhöht wird.






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