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Die
Erfindung betrifft eine geteilte Werkzeugspindel für insbesondere
eine kombinierte Fräs-/Drehmaschine, mit stehendem und
sich drehendem Werkzeug.
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Moderne
Bearbeitungszentren für die spanende Komplettbearbeitung
mit definierter Schneide (Bohren, Fräsen, Drehen) benötigen
eine Werkzeugspindel, die stehende und drehende Werkzeuge aufnehmen
kann. Drehende Werkzeuge werden zum Fräsen und Bohren benötigt
und sind dabei zum Beispiel Bohrer oder Fräser. Stehende
Werkzeuge werden zum Drehen benötigt und sind zum Beispiel
ein Drehmeißel mit einer Wendeschneidplatte. Bei der Bohr-
und Fräsbearbeitung muss das in der Regel mehrschneidige
Werkzeug (Bohrer, Fräser) die rotierende Hauptbewegung
(Schnittbewegung) zum spanenden Abtragen des Materials ausführen.
Das in der Werkzeugspindel eingespannte Werkzeug dreht sich dabei
mit entsprechender Drehzahl und wird entlang der zu bearbeitenden
Fläche geführt. Das Werkstück (Werkstücktisch)
führt in der Regel nur die Vorschub- und die Positionsbewegung
durch. Das drehende bzw. rotierende Werkzeug erzeugt die für
das spanende Abtragen des Materials notwendige Schnittbewegung.
Im Gegensatz dazu wird beim Drehen die rotierende Hauptbewegung
(Schnittbewegung) zum spanenden Abtragen des Materials vom Werkstück (Werkstücktisch,
Werkstückspannmittel) ausgeführt. Das in der Regel
einschneidige Werkzeug (Drehmeißel mit Wendeschneidplatte)
steht still und wird entlang der zu bearbeitenden Fläche
geführt. Das Werkzeug führt in der Regel nur die
Vorschub- und die Positionierbewegung. Das rotierende Werkzeug erzeugt
die für das spanende Abtragen des Materials notwendige
Schnittbewegung.
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Bei
Fräsen und Bohren rotiert das Werkzeug mit sehr hoher Drehzahl.
Drehzahlen von 20.000 U/min sind durchaus üblich. Aus diesem
Grund benötigt die Werkzeugspindel eine sehr präzise
und hochbelastbare Lagerung, um die hauptsächlich in radialer
Richtung auftretende Zerspanungskräfte aufnehmen zu können.
Die Drehzahl wird in der Werkzeugspindel nach dem Stand der Technik über
einen so genannten Drehgeber erfasst und der Maschinensteuerung
weitergeleitet. Der Drehgeber muss die Ist-Drehzahl ausreichend
genau und präzise erfassen. Dem gegenüber ist
bei einem drehenden Werkzeug die präzise und genaue Erfassung
der Drehwinkellage des Werkzeuges in Bezug auf die Spindelachse
in der Regel nicht notwendig. Bei einem stehenden Werkzeug zum Drehen
ist aber gerade die Drehwinkellage des Werkzeuges bzw. der Werkzeugschneide
in Bezug auf die Spindelachse von hoher Bedeutung. Für
den Zerspanungsvorgang beim Drehen muss die Werkzeugsschneide je
nach Zerspanungsaufgabe (Plandrehen, Längsdrehen, Abstechen
usw.) in einen speziellen Drehwinkel zum Werkstück eingestellt
werden. Außerdem muss das Drehwerkzeug sehr genau und sicher
in dieser Winkelposition gehalten werden. Beim Drehen können sehr
große Zerspanungskräfte auftreten. Diese Zerspanungskräfte
müssen sicher von der Werkzeugspindel aufgenommen werden.
Eine Werkzeugaufnahme für Drehwerkzeuge muss somit zwei
Kriterien erfüllen: Zum Ersten muss eine sehr genaue Einstellung
der Drehwinkellage möglich sein, zum Zweiten müssen
die Zerspanungskräfte sicher aufgenommen werden.
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Eine
gattungsgemäße zweigeteilte Werkzeugspindel ist
aus der
EP 1 902 800
A1 und aus der
EP
0 755 750 A1 bekannt. Diese Werkzeugspindeln sind aber
nur für die Aufnahme von drehenden Werkzeugen ausgeführt.
Stehende Werkzeuge können aufgrund der fehlenden mechanischen
Blockiereinrichtung nicht sinnvoll aufgenommen werden. Außerdem
ist durch die radiale Nachgiebigkeit der Verbindungskupplung (z.
B. durch ein Verzahnungsspiel hervorgerufen) zwischen Spindelwelle
und Motorwelle eine winkelgenaue Einstellung der Spindelwelle nicht
möglich, da der Drehgeber bei diesen Werkzeugspindeln immer
an der Motorwelle angeordnet ist.
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In
der
DE 698 02 869
T2 ist eine einteilige Werkzeugspindel für drehende
und stehende Werkzeuge beschrieben. Die winkelgenaue Arretierung des
stehenden Werkzeuges erfolgt dabei über eine hydraulisch
betätigte und axial verschiebliche, stirnseitige Verzahnung,
eine so genannte Hirthkupplung, mit der eine drehmomentsteife und
winkelgenaue Fixierung des Drehwerkzeuges realisiert wird. Eine
so genannte Hirthkupplung besitzt eine axial wirksame, stirnseitige
Verzahnung mit einer selbstzentrierenden Wirkung.
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Zwar
werden die bei der Bearbeitung zwangsläufig auftretenden
axialen Kräfte (Bearbeitungskräfte) durch die
Spindellagerung aufgenommen, für welche die Spindellagerung
der Werkzeugspindel ausgelegt, dimensioniert und in axialer Richtung
auch vorgespannt ist. Die Spindellagerung ist jedoch nicht ausgelegt
für die gesamte Aufnahme der axialen Kräfte, die
beim Einkuppeln der Hirthkupplung entstehen. Dies wäre
auch sehr ungünstig, denn die sehr genaue und präzise
Spindellagerung ist nur sehr begrenzt für die Aufnahme
von axialen Kräften ausgelegt.
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Bei
der Werkzeugspindel nach der
DE 698 02 869 T2 wird die axiale Andrückkraft
durch eine Gegenkraft, die zusätzlich auf die Spindelwelle
aufgebracht wird, kompensiert. Dadurch erfolgt beim Einrücken
der Hirth-Kupplung kein Kraftfluss der axialen Feststellkraft über
die Spindellagerung ins Gehäuse.
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Weiterhin
ist in der
EP 1 409
197 B1 eine einteilige Werkzeugspindel für drehende
und stehende Werkzeuge beschrieben, die im Prinzip in gleicher Weise
funktioniert wie die in der
DE 698 02 869 T2 offenbarte Werkzeugspindel,
nämlich mit einer axial verschieblichen Hirth-Kupplung.
Der Unterschied zur
DE
698 02 859 T2 besteht darin, dass bei der
EP 1 409 197 B1 beim Kupplungsvorgang
eine Gegenkraft zur Andrückkraft der Kupplung aufgebracht
wird, um die Lagervorspannung der Spindellagerung erhalten zu können.
Dazu wird beim Einkuppelvorgang über einen hydraulisch
betätigten Einrückzylinder das am Gehäuse
angebrachten Kupplungselement mit dem an der Spindelwelle angebrachten
Kupplungselement verbunden. Beim Einkupplungsvorgang wird die Spindelwelle
aufgrund der hohen Andrückkraft leicht nach vorne gedrückt,
mit der Folge, dass die Vorspannung der Lagerung in axialer Richtung
größtenteils aufgehoben wird. Die Andrückfeder,
die im „normalen” Betriebszustand (Kupplung außer
Eingriff) die Vorspannung der Lager in axialer Richtung bewerkstelligt,
kann die Feststellkraft zum Einkuppeln nicht kompensierten. Aus
diesem Grund muss zur Unterstützung über einen
hydraulisch betätigten Andrückkolben eine zusätzliche
axiale Vorspannkraft auf die Lager aufgebracht werden, d. h. durch
diesen Andrückkolben wird die Spindelwelle über
die Spindellager wieder in die ursprüngliche axiale Position zurückgedrückt
und die ursprüngliche Lagervorspannung wird wieder hergestellt.
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Der
Nachteil der Ausführungen gemäß der
DE 698 02 859 T2 und
der
EP 1 409 197 B1 ist
der, dass die funktionsbedingt vorhandene axiale Feststellkraft
in irgendeiner Art und Weise entweder durch eine Gegenkraft oder
durch eine vergrößerte Spindellagerung kompensiert
werden muss. Dies bedeutet auf jeden Fall eine zusätzliche
konstruktive Maßnahme.
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Der
Vorteil der Feststelleinrichtungen gemäß der
DE 698 02 852 T2 und
der
EP 1 409 197 B1 ist aber
wiederum der, dass über die axial angeordnete Stirnverzahnung
(Hirth-Kupplung) in relativ einfacher Weise eine winkelgenaue Einstellung
der Spindelwelle möglich ist. Es muss aber dabei noch erwähnt werden,
dass die einstellbare Winkellage natürlich von der Teilung
der Verzahnung abhängig ist, z. B. kann die Winkellage
nur in 2° Schritten eingestellt werden, dies hat sich in
der Praxis als nachteilig erwiesen.
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In
den beiden oben offenbaren Lösungen muss erheblicher technischer
Aufwand betrieben werden, um die Spindellagerung vor axialer Kraft
zu schützen bzw. diese auszugleichen (entgegenzuwirken).
Bei der
DE 698 02
869 T2 wird die Lagerung vor der axialen Kraft geschützt
(Gegenkraft direkt auf die Spindelwelle), bei der
EP 1 409 197 B1 wird eine
Gegenkraft aufgebracht (Gegenkraft direkt auf die Lager).
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zu Grunde, eine Werkzeugspindel für stehende und
drehende Werkzeuge zu schaffen, bei der das Werkzeug sicher und
stufenlos winkelgenau fixiert werden kann, ohne dass dabei durch
die Feststelleinrichtung zum Fixieren der Werkzeugspindel zusätzliche
axiale Kräfte auf die Spindellagerung direkt oder indirekt wirken.
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Die
Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei einer Werkzeugspindel
für insbesondere eine kombinierte Fräs-/Drehmaschine,
mit einem stehenden und sich drehenden Werkzeug, wobei das Werkzeug
in einer in einem Spindelgehäuse gelagerten Spindelwelle aufgenommen
ist, dadurch
- – dass die Spindelwelle
von einer in radialer Richtung auf die Spindelwelle wirkenden Klemmbuchse
beaufschlagbar ist, und
- – dass auf der Spindelwelle ein Drehgeber angeordnet
ist.
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Durch
die Kombination der radial wirkenden Klemmbuchse mit einem Drehgeber
auf der Spindelwelle wird in einfacher Weise eine sichere und winkelgenaue
Klemmung realisiert.
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Beim
Klemmen durch die radial wirkende Klemmbuchse entstehen keine axialen
Kraftkomponenten, so dass die Spindellager beim Klemmen nicht belastet
werden. Der Drehgeber kann die Winkellage der Spindel hochgenau
erfassen. Somit kann über die Antriebsregelung des Spindelmotors
die Spindelwelle winkelgenau und stufenlos unter Zuhilfenahme des
Drehgebers positioniert werden.
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Das
axial wirkende Fixierelement mit Hirthverzahung nach dem Stand der
Technik wird erfindungsgemäß durch ein radial
wirkendes Fixierelement mit Drehgeber ersetzt. Die Wirkung ist die
gleiche, nämlich eine sichere und genaue Fixierung der Spindelwelle,
aber mit dem Vorteil, dass die Spindellagerung beim Aktivieren des
Fixierelementes in axialer Richtung nicht belastet wird und somit
keine Kompensationen notwendig sind und dass eine stufenlose Winkeleinstellung
möglich wird.
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Die
Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen
und Ausgestaltungen der Erfindung.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung ist die Klemmbuchse hydraulisch betätigbar.
Diese Klemmbuchsen lassen sich hochflexibel auf unterschiedlichste
Bauteile anpassen, schließen und öffnen schnell
und ermöglichen aufgrund der hydraulischen Betätigung
extrem hohen Haltekräfte, so dass eine sichere Fixierung
der Spindelwelle an der gewünschten Position gewährleistet
ist.
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Besonders
einfach lässt sich die Erfindung realisieren, wenn die
Klemmbuchse in dem Spindelgehäuse gelagert ist, welches
auch die Spindelwelle lagert.
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Die
Klemmbuchse weist vorteilhafterweise eine elastisch verformbare,
zylindrische Wand auf, mit deren Hilfe eine Klemmbuchsen-Aufnahme
gegen die Spindelwelle andrückbar ist. So können
hohe Haltekräfte auf die Spindelwelle ausgeübt
und eine Beaufschlagung mit Axialkräften ausgeschlossen werden.
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Um
eine stufenlose Winkeleinstellung zu ermöglichen, weist
der Drehgeber nach einer bevorzugten Ausgestaltung ein auf der Spindelwelle
angeordnetes Messzahnrad auf, das mit einem an dem Spindelgehäuse
angeordneten Sensor zusammenwirkt.
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Der
Drehgeber muss nicht zwingend mit einem Messzahnrad ausgeführt
sein, prinzipiell sind alle gängigen Drehgebertypen möglich,
wie z. B. optische Drehgeber, magnetische Drehgeber usw.
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Um
die Spindelwelle in eine Drehbewegung zu versetzen, ist nach einer
bevorzugten Weiterbildung die Spindelwelle über eine Zahnnabe
mit einem an einer Motorwelle angeordneten Zahnkranzelement verbindbar.
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Die
Kupplung zwischen Spindelwelle und Motorwelle muss nicht zwingend
als Zahnkupplung ausgeführt sein, prinzipiell sind alle
gängigen Kupplungstypen möglich, wie z. B. eine
Stiftkupplung, eine Klauenkupplung oder eine Kupplung mit Polygonprofil.
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Die
Zahnnabe und das Zahnkranzelement sind vorteilhafterweise jeweils
mit einer Evolventenverzahnung, insbes. einer Keilverzahnung versehen, die
eine gute Übertragung des Drehmomentes zwischen der Spindelwelle
und der Motorwelle gewährleistet.
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Auf
der Motorwelle kann nach einer bevorzugten Weiterbildung ein weiterer
Drehgeber angeordnet sein, der vorteilhafterweise ein auf der Motorwelle
angeordnetes Messzahnrad aufweist, das mit einem an einem die Motorwelle
lagernden Lagerschild angeordneten Sensor zusammenwirkt.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
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1 eine
Seitenansicht im Schnitt einer erfindungsgemäßen
Werkzeugspindel, und
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2 eine
weitere Seitenansicht im Schnitt der erfindungsgemäße
Werkzeugspindel.
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In
den 1 und 2 ist eine erfindungsgemäße
Werkzeugspindel im Schnitt dargestellt.
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Die
erfindungsgemäße Werkzeugspindel weist einen Spindelkopf 1 auf,
der eine in einem Spindelgehäuse 2 über
Wälzlager 3, 4 gelagerte Spindelwelle 5 umfasst.
Das Spindelgehäuse 2 ist mit einem Ringflansch 6 versehen,
mit dem es mittels Befestigungsschrauben 7 an einem später
noch detailliert beschriebenen Spindelmotor 18 befestigt
werden kann.
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An
der Spindelwelle 5 ist ein Drehgeber 8 befestigt,
der ein mit der Spindelwelle 5 verbundenes Messzahnrad 9 aufweist.
Das Messzahnrad 9 wirkt mit einem an dem Spindelgehäuse 2 festgelegten Sensor
(Tastkopf) 10 zusammen.
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Die
Spindelwelle 5 ist an ihrem dem Spindelmotor 18 zugewandten
Ende mit einer Zahnnabe 11 versehen.
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Weiterhin
ist in der Spindelwelle 5 eine Durchgangsbohrung 12 für
die Aufnahme eines nicht gezeigten Werkzeugspanners vorgesehen.
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In
dem Spindelgehäuse 2 ist eine sich radial und
axial erstreckende, in Richtung auf die Spindelwelle 5 offene
Ausnehmung vorgesehen. In dieser Ausnehmung ist eine hydraulische
Klemmbuchse 13 angeordnet (vgl. Detail „X” in 1).
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Die
Klemmbuchse 13 weist eine elastisch verformbare zylindrische
Wand 14 auf, die an einer Klemmbuchsen-Aufnahme 15 anliegt.
In dem Spindelgehäuse 2 ist weiterhin eine Bohrung 16 für
den Anschluss einer Hydraulikquelle P vorgesehen. Zwischen der elastisch
verformbaren zylindrischen Wand 14 und der Klemmbuchsen-Aufnahme 15 ist oben
und unten jeweils eine Dichtung 17 vorgesehen, welche beispielsweise
als O-Ring ausgebildet sein kann.
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Durch
eine Druckbeaufschlagung der elastisch verformbaren zylindrischen
Wand 14 über die Bohrung 16 mit Hydraulikflüssigkeit
drückt die Wand 14 die Klemmbuchsen-Aufnahme 15 nach
innen und belastet somit die Spindelwelle 5 in radialer
Richtung, so dass die Spindelwelle 5 von der Klemmbuchse 13 bzw.
deren Klemmbuchsen-Aufnahme 15 festgehalten wird.
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Die
Spindelwelle 5 ist von dem Spindelmotor 18 antreibbar.
Dieser Spindelmotor 18 weist eine Motorgehäuse 19 mit
einem Stator 20 auf, in dem ein Rotor 21 gelagert
ist. In dem Motorgehäuse 19 sind weiterhin Wälzlager 22, 23 angeordnet,
welche eine Motorwelle 24 lagern.
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Die
Motorwelle 24 ist an ihrem der Spindelwelle 5 zugewandten
Ende mit einem Zahnkranzelement 25 versehen, welche mit
der Zahnnabe 11 an der Spindelwelle 5 in Eingriff
bringbar ist.
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Die
Zahnnabe 11 bzw. das Zahnkranzelement 25 kann
mit einer Evolventenverzahnung, insbesondere mit einer Keilverzahnung,
versehen sein. Die Wellen-Nabenverbindung zwischen Spindelwelle 5 und
Motorwelle 19 kann aber auch mit anderen alternativen Verbindungsarten
realisiert werden. Zum Beispiel mit einer Stiftkupplung, mit einer
Kupplung mit Polygonprofil, mit einer Klauenkupplung usw.
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Das
Wälzlager 22 ist von Gewindeelementen 26, 27 in
einem dem Spindelgehäuse 2 zugewandten Endbereich 28 des
Motorgehäuses 19 an einer Lageraufnahme 29,
die wiederum in dem Motorgehäuse 19 befestigt
ist, gehalten.
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Der
Endbereich 28 weist auch Aufnahmen für die Befestigungsschrauben 7 auf,
mit denen der Ringflansch 6 des Spindelgehäuses 2 an
dem Motorgehäuse 19 befestigt werden kann.
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Wie
die Spindelwelle 5 ist auch die Motorwelle 24 mit
einer Durchgangsbohrung 30 für die Aufnahme eines
Werkzeugspanners versehen.
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An
der Motorwelle 19 ist ein Drehgeber 31 befestigt,
der ein mit der Motorwelle 24 verbundenes Messzahnrad 32 aufweist.
Das Messzahnrad 32 wirkt mit einem an dem Motorgehäuse 19 festgelegten
Sensor (Tastkopf) 33 zusammen.
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Der
Drehgeber 31 ist unter einem Lagerdeckel 34, der
an einem Lagerschild 35 befestigt ist, verborgen.
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Der
Drehgeber 8 auf der Spindelwelle 5 sorgt für
eine hochgenaue Messung der Winkellage, während der Drehgeber 31 auf
der Motorwelle 24 für die Messung der Drehzahl
verantwortlich ist.
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Der
Drehgeber 31 auf der Motorwelle 24 jedoch kann
entfallen, wenn der Drehgeber 8 auf der Spindelwelle 5 nicht
nur für die Messung der Drehwinkellage, sondern auf für
die Messung der Drehzahl herangezogen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spindelkopf
- 2
- Spindelgehäuse
- 3
- Wälzlager
- 4
- Wälzlager
- 5
- Spindelwelle
- 6
- Ringflansch
- 7
- Befestigungsschrauben
- 8
- Drehgeber
an der Spindelwelle
- 9
- Messzahnrad
- 10
- Sensor
(Tastkopf)
- 11
- Zahnnabe
- 12
- Durchgangsbohrung
- 13
- hydraulische
Klemmbuche
- 14
- Wand
- 15
- Klemmbuchsen-Aufnahme
- 16
- Bohrung
- 17
- Dichtung
- 18
- Spindelmotor
- 19
- Motorgehäuse
- 20
- Stator
- 21
- Rotor
- 22
- Wälzlager
- 23
- Wälzlager
- 24
- Motorwelle
- 25
- Zahnkranzelement
- 26
- Gewindeelement
- 27
- Gewindeelement
- 28
- Endbereich
- 29
- Lageraufnahme
- 30
- Durchgangsbohrung
- 31
- Drehgeber
an der Motorwelle
- 32
- Messzahnrad
- 33
- Sensor
(Tastkopf)
- 34
- Lagerdeckel
- 35
- Lagerschild
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1902800
A1 [0004]
- - EP 0755750 A1 [0004]
- - DE 69802869 T2 [0005, 0007, 0008, 0011]
- - EP 1409197 B1 [0008, 0008, 0009, 0010, 0011]
- - DE 69802859 T2 [0008, 0009]
- - DE 69802852 T2 [0010]
