CH696632A5

CH696632A5 - Werkzeugmaschine, insbesondere Fräsmaschine, sowie Verfahren zum Betrieb einer solchen Werkzeugmaschine.

Info

Publication number: CH696632A5
Application number: CH01591/03A
Authority: CH
Inventors: Rafael Kaufmann-Najer
Original assignee: Reiden Technik Ag
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2003-09-17
Publication date: 2007-08-31
Also published as: DE10252086B4; DE10252086A1

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkzeugmaschinen. Sie betrifft eine Werkzeugmaschine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

[0002] Für die präzise und zeitsparende Bearbeitung von Werkstücken werden zunehmend Werkzeugmaschinen eingesetzt, bei denen das Werkstück einmal eingespannt und dann unterschiedlichen Bearbeitungsschritten unterworfen wird, die sowohl die Grobbearbeitung mit hoher Schnitttiefe (Schruppen) als auch die Feinbearbeitung mit geringer Schnitttiefe und hoher Schnittgeschwindigkeit (Schlichten) umfassen. Hierzu werden hochpräzise und äusserst kraftvolle Werkzeugmaschinen mit entsprechend hohem Drehmoment benötigt. Die Tendenz, dass immer mit höheren Schnittgeschwindigkeiten gearbeitet wird, fordert hohe Drehzahlen an der Arbeitsspindel.

Zugleich möchte der Anwender aber nicht auf ein grosses Drehmoment verzichten, da er mit der gleichen Maschine auch Schrupparbeiten machen will. Weiterhin soll die Werkzeugmaschine möglichst in der Lage sein, die Bearbeitung flexibel in unterschiedlichen Achsen vorzunehmen, um auch komplizierte Geometrien des Werkstückes verwirklichen zu können. Wesentlich für die Werkzeugmaschinen ist dabei das Antriebskonzept für die Arbeitsspindel.

[0003] Bei den Fräsmaschinen sind in der Vergangenheit unterschiedliche Antriebskonzepte für die Arbeitsspindel vorgeschlagen worden, die von einem Fräskopf ausgehen, der um eine um 45 deg. geneigte Drehachse verschwenkbar ist.

In der US-A-4 841 795 wird ein doppelt verschwenkbar an einem Balken befestigter Universalkopf für Werkzeugmaschinen beschrieben, bei dem die im Kopf gelagerte Arbeitsspindel durch einen im Balken angeordneten Hauptspindelmotor über eine im Balken gelagerte horizontale Hauptantriebswelle und eine im Kopf gelagerte schräge Zwischenwelle mittels zweier Kegelradgetriebe angetrieben wird.

[0004] Ein ähnliches Antriebskonzept findet auch bei den bisherigen Fräsmaschinen der Anmelderin vom Typ BFR-1 und BFR-2 Anwendung: Die Arbeitsspindel des Fräskopfes wird von einem starken Hauptspindelmotor über Kegelradgetriebe angetrieben. Um hohe Drehmomente zu erreichen, ist ein 2-Gang-Schaltgetriebe eingebaut. Dieses Getriebe befindet sich aus Platzgründen direkt auf dem Motor.

Auf diese Art und Weise werden enorm hohe Drehmomente, aber entsprechend nur relativ geringe Drehzahlen an der Arbeitsspindel erreicht. Der Grund für die relativ geringen Drehzahlen liegt bei den Kegelrädern. Diese können nicht so ausgelegt werden, dass diese hohe Drehmomente und Drehzahlen übertragen können.

[0005] Eines der drehzahlbegrenzenden Kegelradgetriebe kann eingespart werden, wenn das in der EP-A1-0 664 176 vorgeschlagene Antriebskonzept verwendet wird, bei dem der Antriebsmotor für die Arbeitsspindel um 45 deg. geneigt im Fräskopf angeordnet ist und das Schaltgetriebe im verschwenkbaren Vorderteil des Fräskopfes untergebracht ist. Nachteilig ist dabei einerseits, dass immer noch ein Kegelradgetriebe vorhanden ist.

Andererseits begrenzen die beengten Platzverhältnisse im Fräskopf die Grösse und Leistungsfähigkeit des Antriebsmotors.

[0006] Ein weiteres Antriebskonzept, das beispielsweise in der US-A-5 413 439 offenbart ist, verzichtet vollständig auf die Kegelradgetriebe und geht zu einem Direktantrieb der Arbeitsspindel über. Die Arbeitsspindel und der Direktantrieb sind dabei baulich zu einer sogenannten Motorspindel vereinigt und werden inzwischen von darauf spezialisierten Herstellern (wie z.B. der Firma StepTec, Nidau [CH] oder Cytec Systems, Jülich [DE]) angeboten. Die Motorspindeln können - da Getriebe wegfallen - für sehr hohe Drehzahlen von z.B. 40 000 Umdrehungen pro Minute ausgelegt werden.

Problematisch hinsichtlich eines Einbaus in einen verschwenkbaren Fräskopf ist jedoch, dass Motorspindeln für hohe Drehzahlen und gleichzeitig hohe Drehmomente viel zu gross bauen.

[0007] Ein anderes Antriebskonzept, das von der oben genannten Firma Cytec Systems verwirklicht worden ist, ist eine sogenannte Getriebespindel. Bei diesem Konzept ist grundsätzlich auch ein Motor im Fräskopf selbst eingebaut. Für die hohen Drehzahlen treibt der Motor die Arbeitsspindel direkt an. Für die hohen Drehmomente wird ein Planetengetriebe zwischen den Motor und die Arbeitsspindel geschaltet.

Dieses Getriebe untersetzt in einem Verhältnis von 1 zu 3 und bewirkt somit ein um den Faktor drei höheres Drehmoment an der Arbeitsspindel.

[0008] Die Kombination aus Direktantrieb und Schaltgetriebe hat die folgenden allgemeinen Vorteile:
Hohe Drehmomente wie auch hohe Drehzahlen sind realisierbar.
Es ist ein relativ kompakter Aufbau im Fräskopf möglich, da das Planetengetriebe eine kompakte Getriebeausführung ist.

[0009] Das System hat aber auch Nachteile:
Bei jedem frequenzgeregelten Motor steht das volle Moment bis zur Nenndrehzahl zur Verfügung. Wenn nun das Getriebe zugeschaltet wird, ist die Nenndrehzahl an der Arbeitsspindel um die Getriebeuntersetzung tiefer.

Bei der Getriebespindel sinkt diese Nenndrehzahl beim High-Torque-Betrieb (d.h. beim Betrieb mit hohem Drehmoment) von z.B. 2100 min<-1> auf 700 min<-1> (3:1), was einem vergleichsweise tiefen und damit ungünstigen Wert entspricht.
Die Drehzahl ist durch die Art der Konstruktion nach oben hin beschränkt. Mit einem anderen Motor kann die Drehzahl zwar erhöht werden, zugleich beeinflusst dies aber auch den Bereich für hohe Drehmomente.
Der Motor ist nicht direkt mit der Arbeitsspindel verbunden. So müssen der Motor wie auch die Arbeitsspindel separat gelagert werden. Da die Arbeitsspindel wie auch der Motor auf hohen Drehzahlen betrieben werden, müssen alle Lagerungen auf hohe Drehzahlen ausgelegt sein.

Zusätzlich müssen alle Lagerstellen gekühlt werden.

Darstellung der Erfindung

[0010] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Werkzeugmaschine, insbesondere eine Fräsmaschine, zu schaffen, die sich durch einen Antrieb der Arbeitsspindel auszeichnet, der ohne Einschränkung sowohl hohe Drehzahlen als auch hohe Drehmomente des Werkzeuges ermöglicht, und sich durch einen kompakten Aufbau ohne Schwierigkeiten in einem verschwenkbaren Maschinenkopf einsetzen lässt, sowie ein Verfahren zu deren Betrieb anzugeben.

[0011] Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 10 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, die Arbeitsspindel wahlweise durch wenigstens zwei in ihren Kennwerten unterschiedlich ausgelegte, vorzugsweise elektrische Motoren anzutreiben.

Jeder dieser Motoren kann unabhängig vom anderen in seinen Kennwerten zur Erreichung bestimmter Vorgaben optimiert werden. Es entfallen damit die Beschränkungen, welche die Verwendung nur eines Motors nach sich zieht. Vorzugsweise sind die wenigstens zwei Motoren Synchronmotoren.

[0012] Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemässen Werkzeugmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugmaschine als Fräsmaschine ausgebildet ist, und dass der erste der wenigstens zwei Motoren vorwiegend zur Bereitstellung eines hohen Drehmoments und der zweite Motor vorwiegend zur Bereitstellung hoher Drehzahlen ausgelegt ist. Dadurch lassen sich auf derselben Maschine, ohne dass das Werkstück neu eingespannt werden muss, in optimaler Weise sowohl Schrupp- als auch Schlichtarbeiten durchführen.

Die Aufteilung des Antriebs auf zwei Motore führt dabei dazu, dass die Arbeitsspindel in einem kompakten verschwenkbaren Fräskopf untergebracht werden kann.

[0013] Um ohne Einschränkungen hohe Drehzahlen erreichen zu können, ist es vorteilhaft, wenn gemäss einer Weiterbildung der Erfindung der erste Motor die Arbeitsspindel über eine lösbare Kupplung antreibt, und der zweite Motor die Arbeitsspindel direkt antreibt und mit der Arbeitsspindel fest verbunden ist.

Mit dieser Art der Kopplung zwischen den Motoren und der Arbeitsspindel lässt sich für die Betriebsart mit hohen Drehzahlen (bei ausgekuppeltem ersten Motor) praktisch eine direkt angetriebene Motorspindel verwirklichen, die optimal auf höchste Drehzahlen ausgelegt werden kann.

[0014] Um eine durch die Kupplung möglichst unbeeinflusste direktangetriebene Motorspindel für die Betriebsart mit hohen Drehzahlen realisieren zu können, sollte die Kupplung entsprechend ausgelegt sein.

Vorzugsweise ist die lösbare Kupplung als Zahnkupplung ausgebildet, und sind den beiden Motoren Messsysteme zugeordnet, mittels derer die Drehwinkel der zu kuppelnden Teile bestimmbar sind, wobei die Zahnkupplung ein die Arbeitsspindel konzentrisch umgebendes Schieberad umfasst, welches eine Aussenverzahnung und eine Innenverzahnung aufweist und über einen hydraulisch betätigbaren Schaltkolben in Richtung der Achse der Arbeitsspindel verschiebbar ist.

[0015] Ein besonders kompakter Aufbau und eine hohe Flexibilität der Maschine lassen sich erreichen, wenn gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Arbeitsspindel, die lösbare Kupplung und der zweite Motor in einem Fräskopf angeordnet sind, wenn der Fräskopf am vorderen Ende eines horizontal gelagerten Balkens befestigt ist,

und wenn der erste Motor im Balken untergebracht ist und die Arbeitsspindel über eine im Balken horizontal verlaufende Hauptantriebswelle antreibt.

[0016] Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Fräskopf in einen Vorderteil und einen Hinterteil unterteilt ist, dass die Arbeitsspindel, die lösbare Kupplung und der zweite Motor im Vorderteil angeordnet sind, dass der Hinterteil relativ zum Balken um eine parallel zur Balkenlängsachse verlaufende erste Drehachse verschwenkbar ist, dass der Vorderteil relativ zum Hinterteil um eine zweite Drehachse verschwenkbar ist, welche mit der ersten Drehachse einen Winkel von 45 deg. einschliesst, dass die Drehachse der Arbeitsspindel mit der zweiten Drehachse einen Winkel von 45 deg.

einschliesst, und dass der Antrieb der Arbeitsspindel durch den ersten Motor über eine zwischen den beiden Teilen des Fräskopfes in Richtung der zweiten Drehachse verlaufende Zwischenwelle erfolgt, welche am einen Ende mit der lösbaren Kupplung über eine erstes Kegelradgetriebe und am anderen Ende über ein zweites Kegelradgetriebe mit der Hauptantriebswelle in Eingriff steht. Durch die beiden um 45 deg. gegeneinander verschwenkten Drehachsen lässt sich die Arbeitsspindel in den unterschiedlichsten Raumrichtungen eines Halbraumes ausrichten.

[0017] Um die Wartungsfreundlichkeit der Werkzeugmaschine zu erhöhen, ist es von Vorteil, wenn der zweite Motor durch lösbare Verbindungsmittel, insbesondere in Form einer konischen Spannbüchse, mit der Arbeitsspindel verbunden ist.

Auf diese Weise kann - anders als bei bekannten Motorspindeln - der zweite Motor vergleichsweise einfach von der Arbeitsspindel getrennt werden, wenn die Arbeitsspindel zur Wartung der Lager oder dgl. ausgebaut werden muss.

[0018] Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass beim Übergang vom ersten in den zweiten Drehzahlbereich der erste Motor von der Arbeitsspindel abgekuppelt wird, und dass beim Übergang vom zweiten in den ersten Drehzahlbereich der erste Motor wieder eingekuppelt wird, wobei die Arbeitsspindel im zweiten Drehzahlbereich von dem zweiten Motor direkt angetrieben wird, und die Umschaltung des Antriebs beim Übergang zwischen den Drehzahlbereichen automatisch erfolgt.

[0019] Der erste Drehzahlbereich erstreckt sich dabei von 0 bis zu einigen 1000, insbesondere etwa 4000 Umdrehungen pro Minute,

und der zweite Drehzahlbereich erstreckt sich bis zu Drehzahlen von wenigstens 10 000, insbesondere bis zu Drehzahlen von zwischen 20 000 und 40 000 Umdrehungen pro Minute.

[0020] Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Kürze Erläuterung der Figuren

[0021] Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
<tb>Fig. 1<sep>in einer perspektivischen Gesamtansicht eine Bettfräsmaschine als Werkzeugmaschine gemäss der Erfindung mit den verschiedenen Bewegungsachsen;

<tb>Fig. 2<sep>einen Längsschnitt durch den Balken und den daran befestigten Fräskopf der Maschine aus Fig. 1, aus dem das Antriebskonzept für die Arbeitsspindel mit den beiden Motoren deutlich wird;

<tb>Fig. 3<sep>den teilweise geschnittenen Vorderteil des Fräskopfes aus Fig. 2 mit der Arbeitsspindel, der Kupplung und dem für die hohen Drehzahlen vorgesehenen Motor in der Gesamtdarstellung (rechte Teilfigur) und in einem vergrösserten Ausschnitt (linke Teilfigur), wobei sich die Kupplung im ausgerückten Zustand befindet; und

<tb>Fig. 4<sep>die zu Fig. 3 analoge Darstellung mit eingerückter Kupplung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0022] In Fig. 1 ist in einer perspektivischen Gesamtansicht eine Werkzeugmaschine als Bettfräsmaschine gemäss der Erfindung mit den verschiedenen Bewegungsachsen wiedergegeben. Die Werkzeugmaschine 100 umfasst ein (horizontales) Maschinenbett 6, das mit einem vertikalen Maschinenständer 5 fest verbunden ist. Auf dem Maschinenbett ist in X-Richtung verschiebbar ein Support 7 gelagert, der einen um die (vertikale) C-Achse drehbaren Rundtisch 8 trägt. Anstelle des drehbaren Rundtisches 8 kann selbstverständlich auch ein feststehender Starrtisch eingesetzt werden. Unterhalb des Maschinenbettes 6 verläuft quer ein Späneförderer 13, der die beim Fräsen anfallenden Späne aus der Maschine entfernt.

An dem Maschinenständer 5 ist seitlich in vertikaler Richtung (Z-Achse) verfahrbar ein Kreuzschlitten 4 angeordnet, auf dem ein horizontal liegender Balken 3 in horizontaler Richtung (Y-Achse) verfahrbar ist. Die Achsen X, Y und Z sind orthogonal zueinander.

[0023] Am vorderen Ende des Balkens 3 ist ein verschwenkbarer Fräskopf 1, 2 angeordnet, der aus einem Vorderteil 1 und einem Hinterteil 2 besteht. Im Vorderteil 1 ist die eigentliche Arbeitsspindel 14 untergebracht (siehe auch Fig. 2), die erfindungsgemäss durch zwei unterschiedliche Motoren antreibbar ist. Die (numerische und sonstige) Steuerung der Werkzeugmaschine 100 ist in einem neben dem Maschinenständer 5 aufgestellten Steuerschrank 10 untergebracht. Die Bedienung der Werkzeugmaschine 100 erfolgt über ein an der Vorderseite verschwenkbar angeordnetes Kommandopult 9.

Der Werkzeugwechsel kann grundsätzlich manuell erfolgen. Im Beispiel der Fig. 1 ist ein an sich bekannter automatischer Werkzeugwechsler 11, 12 vorgesehen, der ein Werkzeugwechsler-Magazin (Kettenmagazin) 12 und einen Werkzeugwechsler-Zubringer 11 umfasst. Der Werkzeugwechsler-Zubringer 11 ist zwischen dem Werkzeugwechsler-Magazin 12 und dem Fräskopf 1, 2 verfahrbar und mit entsprechenden steuerbaren Greifern ausgerüstet, welche die zu wechselnden Werkzeuge ergreifen und in der angefahrenen Position wieder loslassen. Die gesamte Werkzeugmaschine 100 ist üblicherweise in einer in Fig. 1 nicht gezeigten Kabine untergebracht und von aussen durch grosse Schiebetüren zugänglich.

[0024] Der Antrieb für die Arbeitsspindel 14 ist im Fräskopf 1, 2 selbst und im Balken 3 untergebracht.

Einzelheiten des Antriebs sind aus dem in Fig. 2 dargestellten Längsschnitt durch Balken und Fräskopf ersichtlich. Die im Vorderteil 1 des Fräskopfes 1, 2 drehbar gelagerte Arbeitsspindel 14, die am unteren Ende mit einer Aufnahme für ein Fräswerkzeug ausgestattet ist, kann wahlweise durch einen von zwei Motoren 15 und 16 angetrieben werden. Der erste Motor 15, der im Inneren des Balkens 3 in der Längsachse des Balkens 3 angeordnet ist, ist ein sogenannter High-Torque-Motor, der bei normalen Drehzahlen ein hohes Drehmoment zur Verfügung stellt und damit insbesondere als Antrieb für Schruppvorgänge mit grosser Schnitttiefe zur Verfügung steht. Da dieser Motor konstruktiv unmöglich im Fräskopf Platz finden würde, wird dieser mit Vorteil im Balken angeordnet. Er ist vorzugsweise als Synchronmotor ausgebildet.

Als Beispiel für einen solchen Motor sei der Typ 1FE1 116-6WR der Firma Siemens genannt, mit dem in der vorliegenden Anwendung ein Drehzahlbereich von 0 bis 4000 Umdrehungen pro Minute und - bei einer Untersetzung durch ein Getriebe - ein Drehmoment bei 0 Umdrehungen pro Minute (ED 100% / ED40%) von 384/491 Nm erreicht wird.

[0025] Der Rotor des High-Torque-Motors 15 sitzt auf dem einen Ende einer (hohlen) Hauptantriebswelle 26, die mit ihrer Drehachse 34 parallel zur Längsachse des Balkens 3 in dem Balken drehbar gelagert ist. Mit dem anderen Ende ragt die Hauptantriebswelle 26 nach vorne aus dem Balken 3 heraus in den Hinterteil 2 des Fräskopfes 1, 2 hinein und steht dort über ein hinteres Kegelradgetriebe 22 mit einer (ebenfalls hohlen) Zwischenwelle 25 in Eingriff.

Die Zwischenwelle 25 ist im Fräskopf 1, 2 um eine Drehachse 35 drehbar gelagert, die mit der Drehachse 34 der Hauptantriebswelle 26 einen Winkel von 45 deg. bildet. Am vorderen Ende der Zwischenwelle 25 ist ein vorderes Kegelradgetriebe 21 angeordnet. Über das vordere Kegelradgetriebe 21 kann die Zwischenwelle 25 mittels einer Kupplung 19 mit der Arbeitsspindel 14 in Eingriff gebracht werden. Oberhalb der Kupplung 19, die als Zahnkupplung ausgebildet ist, ist auf der Arbeitsspindel 14 der Rotor eines zweiten Motors 16 befestigt, der ein sogenannter High-Speed-Motor ist und die Arbeitsspindel 14 für Schlichtvorgänge und dgl. mit hohen Drehzahlen antreibt.

Als Beispiel für einen solchen Motor sei der Typ 1FE1 084-4WN der Firma Siemens genannt, der in der vorliegenden Anwendung für einen Drehzahlbereich von 4000 bis 20 000 Umdrehungen pro Minute und ein Drehmoment bei 4000 Umdrehungen pro Minute (ED 100% / ED40%) von 84/110 Nm vorgesehen ist.

[0026] Der Fräskopf 1, 2 ist am vorderen Ende des Balkens 3 mittels einer ersten kombinierten Antriebs- und Lagerungsvorrichtung 17 gegenüber dem Balken 3 um die Drehachse 34 drehbar. Der Vorderteil 1 des Fräskopfes ist mittels einer zweiten kombinierten Antriebs- und Lagerungsvorrichtung 18 gegenüber dem Hinterteil 2 um die Drehachse 35 drehbar.

Beide Drehmöglichkeiten ergeben zu den orthogonalen linearen Verschiebungsachsen X, Y und Z (Fig. 1) hinzu zwei zusätzliche Drehachsen A und B, so dass insgesamt 5 Achsen (mit der C-Achse sogar 6 Achsen) zur Verfügung stehen.

[0027] Da die Kegelradgetriebe 21 und 22 nicht für hohe Drehzahlen ausgelegt werden können, werden diese beim High-Speed-Betrieb mit dem High-Speed-Motor 16 mittels der bereits erwähnten Zahnkupplung 19 ausgekuppelt. Bei den hohen Drehzahlen drehen die Getriebe 21, 22 wie auch der High-Torque-Motor 15 also nicht mit. Der Aufbau der Zahnkupplung 19 ist aus den Fig. 3 oder 4 ersichtlich, wobei Fig. 3 den ausgerückten und Fig. 4 den eingerückten Zustand der Kupplung zeigt.

[0028] Um die Arbeitsspindel 14 herum ist konzentrisch das abtriebsseitige Kegelrad des vorderen Kegelradgetriebes 21 angeordnet.

Dieses Kegelrad weist eine innenliegende (äussere) Kupplungsverzahnung 29 auf. Innerhalb des Kegelrades ist konzentrisch und mit Abstand zum Kegelrad ein mit der Arbeitsspindel 14 verbundenes Kupplungsrad 27 angeordnet, das eine entsprechende aussenliegende (innere) Verzahnung aufweist. Kegelrad und Kupplungsrad 27 können durch ein in Richtung der Drehachse 36 der Arbeitsspindel 14 verschiebbares Schieberad 28 mit Aussen- und Innenverzahnung miteinander in Eingriff gebracht (verkuppelt) werden. Das Schieberad 28 wird über ein Rillenkugellager 33 mittels eines hydraulisch betätigten Schaltkolbens 30 bewegt, der durch Druckfedern 31 in Ausrückrichtung vorgespannt ist.

[0029] Für den High-Torque-Betrieb wird das Schieberad 28 über das Rillenkugellager 33 mittels des Schaltkolbens 30 hydraulisch in die eingekuppelte Lage gebracht (Fig. 4).

Somit ist die Kupplungsverzahnung 29 des Kegelrades über das Schieberad 28, welches eine Aussenverzahnung wie auch eine Innenverzahnung hat, mit dem Kupplungsrad 27 formschlüssig verbunden. Bei den niedrigen Drehzahlen, wo geschruppt wird und dementsprechend hohe Drehmomente gefordert sind, kommt dann der für diese Bearbeitung geeignete High-Torque-Motor 15 zum Tragen. Über die Kegelradgetriebe 21, 22 bringt dieser seine hohen Drehmomente auf die Arbeitsspindel 14. Der High-Torque-Motor 15 treibt über die Hauptantriebswelle 26, das hintere Kegelradgetriebe 22 und die Zwischenwelle 25 das vordere Kegelradgetriebe 21 und somit auch die äussere Kupplungsverzahnung 29 an. Da nun das Schieberad 28 in der eingekuppelten Stellung ist, wird das Drehmoment und die Drehzahl vom High-Torque-Motor 15 direkt auf das innere Kupplungsrad 27 und somit auf die Arbeitsspindel 14 übertragen.

Der High-Speed-Motor 16 dreht dabei frei mit. Der im High-Torque-Betrieb mitdrehende Getriebestrang 21, 22, 25, 26 wie auch der Rotor des High-Speed-Motors 16 begünstigen durch ihre Massenträgheiten die Bearbeitung mit kleinen Drehzahlen.

[0030] Für den High-Speed-Betrieb wird der Schaltkolben 30 und somit auch das Schieberad 28 mittels der Druckfedern 31 vom inneren Kupplungsrad 27 gezogen (Fig. 3). Somit wird das Kupplungsrad 27 vom Schieberad 28 getrennt und die Arbeitsspindel 14 ist vom vorderen Kegelradgetriebe 21 abgekoppelt. Für diese Abkopplung werden aus Platzgründen und zur Einsparung einer Hydraulikleitung die Druckfedern 31 verwendet. Für ein sicheres Funktionieren der Kupplung werden beide Positionen des Schieberades 28 elektrisch überwacht.

[0031] Ähnlich wie bei den bekannten Motorspindeln sitzt der High-Speed-Motor 16 direkt auf der Arbeitsspindel 14.

Der High-Speed-Motor 16 ist ausgelegt für hohe Drehzahlen, bringt jedoch nur kleine Drehmomente. Bei der Bearbeitung mit hohen Drehzahlen, zum Beispiel von Aluminium, werden keine hohen Drehmomente benötigt. Der High-Speed-Motor 16 ist also für diese Bearbeitung einzusetzen. Da im High-Speed-Betrieb nur die Arbeitsspindel 14 und kein Getriebe mitdreht, wird die Beschleunigung auf die hohen Drehzahlen durch die kleine Massenträgheit der drehenden Komponenten begünstigt.

[0032] Der High-Speed-Motor 16 ist dabei direkt mittels einer konischen Spannbüchse 32 (Fig. 3, 4) mit der Arbeitsspindel 14 verbunden. Dies hat den Vorteil, dass der Rotor des High-Speed-Motors 16 zu Wartungs- oder Reparaturzwecken von der Arbeitsspindel 14 abgezogen werden kann.

Die Arbeitsspindel kann dann mit dem Rotor des High-Speed-Motors 16 zusammen aus dem Fräskopf 1, 2 ausgebaut werden.

[0033] An der Arbeitsspindel 14 und an der Hauptantriebswelle 26 sind Messsysteme 23 bzw. 24 für den High-Speed-Motor 16 bzw. den High-Torque-Motor 15 vorgesehen, mit denen die Drehwinkelstellung der Motoren aufgenommen werden kann. Die Messwerte dieser Messsysteme werden an eine entsprechende Motorsteuerung für die Motoren 15,16 abgegeben.

Mittels der Messwerte kann die Motorsteuerung die Motoren 15 und 16 so steuern, dass für den Fall eines Einkupplungsvorganges (beim Übergang vom High-Speed-Betrieb zum High-Torque-Betrieb) die äussere Kupplungsverzahnung 29 der Verzahnung des Kupplungsrades 27 so gegenübersteht, dass das Schieberad 28 mit seiner Verzahnung ungehindert zwischen die beiden Verzahnungen eingeschoben werden kann (Übergang von Fig. 3 zu Fig. 4).

[0034] Damit sich der Bediener der Werkzeugmaschine 100 über die Wahl des Motors keine Gedanken machen muss, wird der Steuerung vorgegeben, ab welcher Drehzahl der High-Speed-Motor 16 zum Einsatz kommt und kuppelt somit den High-Torque-Motor 15 automatisch ab respektive zu.

Dies kann beispielhaft bei einigen 1000, insbesondere etwa 4000 Umdrehungen pro Minute geschehen, so dass die Arbeitsspindel 14 in einem ersten Drehzahlbereich, der sich von 0 bis zu einigen 1000, insbesondere etwa 4000 Umdrehungen pro Minute, erstreckt, vom High-Torque-Motor 15, und in einem daran angrenzenden zweiten Drehzahlbereich, der sich bis zu Drehzahlen von wenigstens 10 000, insbesondere bis zu Drehzahlen von zwischen 20 000 und 40 000 Umdrehungen pro Minute, erstreckt, vom High-Speed-Motor 16 angetrieben wird.

Bezugszeichenliste

[0035]
1 : Fräskopf Vorderteil
2 : Fräskopf Hinterteil
3 : Balken
4 : Kreuzschlitten
5 : Maschinenständer
6 : Maschinenbett
7 : Support
8 : Rundtisch
9 : Kommandopult
10 : Steuerschrank
11 : Werkzeugwechsler-Zubringer
12 : Werkzeugwechsler-Magazin
13 : Späneförderer
14 : Arbeitsspindel
15 : High-Torque-Motor
16 : High-Speed-Motor
17, 18 :

Antriebs- und Lagerungsvorrichtung
19 : Zahnkupplung
20 : Kupplungszylinder
21 : Kegelradgetriebe (vorne)
22 : Kegelradgetriebe (hinten)
23 : Messsystem für High-Speed-Motor
24 : Messsystem für High-Torque-Motor
25 : Zwischenwelle
26 : Hauptantriebswelle
27 : Kupplungsrad (innen)
28 : Schieberad
29 : Kupplungsverzahnung (aussen)
30 : Schaltkolben
31 : Druckfedern
32 : konische Spannbüchse
33 : Rillenkugellager
34, 35, 36 : Drehachse
100 : Werkzeugmaschine (insb. Fräsmaschine)
A, B, C, X, Y, Z : Achse

Claims

1. Werkzeugmaschine (100) mit einer motorisch angetriebenen Arbeitsspindel (14), welche zur Aufnahme von Werkzeugen ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsspindel (14) wahlweise durch wenigstens zwei in ihren Kennwerten unterschiedlich ausgelegte, vorzugsweise elektrische Motoren (15, 16) antreibbar ist.

2. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Motoren Synchronmotoren sind.

3. Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Fräsmaschine ausgebildet ist und dass der erste der wenigstens zwei Motoren (15, 16) zur Bereitstellung eines ersten Drehmoments und der zweite Motor (16) zur Bereitstellung eines zweiten Drehmoments ausgelegt ist, wobei das erste Drehmoment höher ist als das zweite Drehmoment.

4. Werkzeugmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Motor (15) die Arbeitsspindel (14) über eine lösbare Kupplung (19) antreibt, und dass der zweite Motor (16) die Arbeitsspindel (14) direkt antreibt und mit der Arbeitsspindel (14) fest verbunden ist.

5. Werkzeugmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lösbare Kupplung als Zahnkupplung (19) ausgebildet ist, und dass den beiden Motoren (15, 16) Messsysteme (23, 24) zugeordnet sind, mittels derer die Drehwinkel der zu kuppelnden respektive zu verbindenden Teile bestimmbar sind.

6. Werkzeugmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnkupplung (19) ein die Arbeitsspindel (14) konzentrisch umgebendes Schieberad (28) umfasst, welches eine Aussenverzahnung und eine Innenverzahnung aufweist und über einen hydraulisch betätigbaren Schaltkolben (30) in Richtung der Achse der Arbeitsspindel (14) verschiebbar ist.

7. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsspindel (14), die lösbare Kupplung (19) und der zweite Motor (16) in einem Fräskopf (1, 2) angeordnet sind, dass der Fräskopf (1, 2) am vorderen Ende eines horizontal gelagerten Balkens (3) befestigt ist, und dass der erste Motor (15) im Balken (3) untergebracht ist und die Arbeitsspindel (14) über eine im Balken horizontal verlaufende Hauptantriebswelle (26) antreibt.

8. Werkzeugmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fräskopf (1, 2) in einen Vorderteil (1) und einen Hinterteil (2) unterteilt ist, dass die Arbeitsspindel (14), die lösbare Kupplung (19) und der zweite Motor im Vorderteil angeordnet sind, dass der Hinterteil (2) relativ zum Balken (3) um eine parallel zur Balkenlängsachse verlaufende erste Drehachse (34) verschwenkbar ist, dass der Vorderteil (1) relativ zum Hinterteil (2) um eine zweite Drehachse (35) verschwenkbar ist, welche mit der ersten Drehachse (34) einen Winkel von 45 deg. einschliesst, dass die Drehachse (36) der Arbeitsspindel (14) mit der zweiten Drehachse (35) einen Winkel von 45 deg.

einschliesst, und dass der Antrieb der Arbeitsspindel (14) durch den ersten Motor (15) über eine zwischen den beiden Teilen (1, 2) des Fräskopfes (1, 2) in Richtung der zweiten Drehachse (35) verlaufende Zwischenwelle (25) erfolgt, welche am einen Ende mit der lösbaren Kupplung (19) über ein erstes Kegelradgetriebe (21) und am anderen Ende über ein zweites Kegelradgetriebe (22) mit der Hauptantriebswelle (26) in Eingriff steht.

9. Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Motor (16) durch lösbare Verbindungsmittel, insbesondere durch eine konische Spannbüchse (32), mit der Arbeitsspindel (14) verbunden ist.

10. Verfahren zum Betrieb einer Werkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem unteren ersten Drehzahlbereich die Arbeitsspindel (14) durch den ersten (15) der wenigstens zwei Motoren angetrieben wird, und dass in einem an den ersten Drehzahlbereich nach oben angrenzenden zweiten Drehzahlbereich die Arbeitsspindel (14) durch den zweiten Motor (16) angetrieben wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass beim Übergang vom ersten in den zweiten Drehzahlbereich der erste Motor (15) von der Arbeitsspindel (14) abgekuppelt wird, und dass beim Übergang vom zweiten in den ersten Drehzahlbereich der erste Motor (15) wieder eingekuppelt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsspindel (14) im zweiten Drehzahlbereich von dem zweiten Motor (16) direkt angetrieben wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung des Antriebs beim Übergang zwischen den Drehzahlbereichen automatisch erfolgt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Drehzahlbereich von 0 bis zu einigen 1000, insbesondere etwa 4000 Umdrehungen pro Minute, erstreckt, und dass der zweite Drehzahlbereich sich bis zu Drehzahlen von wenigstens 10 000, insbesondere bis zu Drehzahlen von zwischen 20 000 und 40 000 Umdrehungen pro Minute, erstreckt.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einkuppeln des ersten Motors (15) die Drehwinkelstellung der beiden Motoren (15, 16) erfasst wird.