Bei
den Fräsmaschinen
sind in der Vergangenheit unterschiedliche Antriebskonzepte für die Arbeitsspindel
vorgeschlagen worden, die von einem Fräskopf ausgehen, der um eine
um 45° 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.
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.
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° 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.
Ein
werteres 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. 40000 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.
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.
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.
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 muss
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.
In
der DE-A1-197 04 504 wird zur Erfüllung unterschiedlicher Anforderungen
hinsichtlich Drehzahl und Drehmoment, z.B. bei Werkzeugmaschinen, ein
Motor vorgeschlagen, der zwei relativ zueinander bewegbare Motorteile
umfasst. Dies können
beispielsweise Stator und Rotor bzw. Anker und Läufer eines rotierenden Elektromotors
sein. Mindestens einer der Motorteile weist eine Antriebseinheit
auf, die aus mindestens zwei Untereinheiten gleicher Bauart aufgebaut
ist. Die Untereinheiten können
sich hinsichtlich ihrer Betriebscharakteristika unterscheiden. Sie
sind mechanisch miteinander gekoppelt und wechselwirken parallel
zueinander mit dem anderen Motorteil. Bei einem Elektromotor sind
die Untereinheiten Teilwicklungen, die gleichphasig betrieben werden.
Es handelt sich also nur um einen einzigen Motor, der aufgrund eines
geteilten inneren Aufbaus auf unterschiedliche Weise betrieben werden
kann. Durch die mechanische Kopplung beider Motorteile ist jedoch
eine getrennte Optimierung nur beschränkt möglich.
Die
DE-A1-197 39 511 beschreibt einen Drehantrieb für eine Werkzeughaltevorrichtung,
bei der die Werkzeughaltevorrichtung über entsprechende Kupplungseinrichtungen
wahlweise über
ein Schneckengetriebe oder direkt an der Hauptwelle mit grossem
Drehmoment bzw. mit grosser Drehzahl antreibbar ist. Zum Antrieb
werden zwei nicht näher
bezeichnete Antriebsvorrichtungen vorgesehen. Zwei in ihren Kennwerten
unterschiedlich ausgelegte Motoren als Antriebseinrichtungen werden
in der DE-A1-197 39 511 weder explizit noch implizit erwähnt. Vielmehr
ist es durchaus denkbar, dass beide Antriebsarten durch ein und
demselben Motor realisiert werden, der einmal direkt oder über ein
Drehzahl-reduzierendes Schneckengetriebe die Haltevorrichtung antreibt.
Die
DE-A1-100 47 917 schliesslich offenbart einen getriebelosen integrierten
Spindelantrieb für eine
industrielle Bearbeitungsmaschine mit einer Hauptspindel, die von
einem Hauptspindelmotor angetrieben wird und zur Positionierung
um mehrere Schwenkachsen mittels zugehöriger integrierter Motoren
motorisch verschwenkbar ist. Für
die Drehung um die Spindelachse ist nur ein Motor, der Hauptspindelmotor,
vorgesehen. Entsprechend kann nicht zwischen hoher Drehzahl und
hohem Drehmoment umgeschaltet werden.
DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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.
Die
Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und
8 gelöst.
Der Kern der Erfindung besteht dann, die Arbeitsspindel wahlweise
durch wenigstens zwei in ihren Kennwerten unterschiedlich ausgelegte,
vorzugsweise elektrische Motoren anzutreiben. Jeder dieser Motoren kann
unabhängig
vom an deren 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.
Gemäss der Erfindung
ist die Werkzeugmaschine als Fräsmaschine
ausgebildet ist, und der erste der wenigstens zwei Motoren vorwiegend
zur Bereitstellung eines hohen Drehmoments und der zweite Motor
vorwiegend zur Bereitstellung hoher Drehzahlen ausgelegt. 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.
Um
ohne Einschränkungen
hohe Drehzahlen erreichen zu können,
ist es gemäss
der Erfindung vorgesehen, dass 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.
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.
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.
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° einschliesst, dass die Drehachse
der Arbeitsspindel mit der zweiten Drehachse einen Winkel von 45° 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° gegeneinander
verschwenkten Drehachsen lässt sich
die Arbeitsspindel in den unterschiedlichsten Raumrichtungen eines
Halbraumes ausrichten.
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.
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.
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
10000, insbesondere bis zu Drehzahlen von zwischen 20000 und 40000
Umdrehungen pro Minute.
Weitere
Ausführungsformen
ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
KURZE ERLÄUTERUNG
DER FIGUREN
Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang
mit der Zeichnung näher
erläutert
wenden. Es zeigen
1 in
einer perspektivischen Gesamtansicht eine Bettfräsmaschine gemäss der Erfindung mit
den verschiedenen Bewegungsachsen;
2 einen
Längsschnitt
durch den Balken und den daran befestigten Fräskopf der Maschine aus 1,
aus dem das Antriebskonzept für
die Arbeitsspindel mit den beiden Motoren deutlich wird;
3 den
teilweise geschnittenen Vorderteil des Fräskopfes aus 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
4 die
zu 3 analoge Darstellung mit eingerückter Kupplung.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
In 1 ist
in einer perspektivischen Gesamtansicht eine Werkzeugmaschine in
Form einer 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.
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 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
manuelle erfolgen. Im Beispiel der 1 ist eine
an sich bekannter automatischer Werkzeugwechslers 11, 12 vorgesehen,
der ein Werkzeugwechs ler-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 1 nicht gezeigten Kabine untergebracht
und von aussen durch grosse Schiebetüren zugänglich.
Der
Antrieb für
die Arbeitsspindel 14 ist im Fräskopf 1, 2 selbst
und im Balken 3 untergebracht. Einzelheiten des Antriebs
sind aus dem in 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.
Der
Rotor des High-Torque-Motors 15 sitzt auf dem einer 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° 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 20000 Umdrehungen pro Minute und ein Drehmoment bei 4000
Umdrehungen pro Minute (ED 100%/ED40%) von 84/110 Nm vorgesehen
ist.
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 (1) hinzu zwei zusätzliche Drehachsen A und B,
so dass insgesamt 5 Achsen (mit der C-Achse sogar 6 Achsen) zur
Verfügung
stehen.
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 3 oder 4 ersichtlich,
wobei 3 den ausgerückten
und 4 den eingerückten
Zustand der Kupplung zeigt.
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 kon zentrisch und mit Abstand zum Kegelrad
ein mit der Arbeitsspindel 14 verbundenes Kupplungsrad 27 angeordnet,
dass 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.
Für den High-Torque-Betrieb
wird das Schieberad 28 über
das Rillenkugellager 33 mittels des Schaltkolbens 30 hydraulisch
in die eingekuppelte Lage gebracht (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.
Für den High-Speed-Betrieb
wird der Schaltkolben 30 und somit auch das Schieberad 28 mittels der
Druckfedern 31 vom inneren Kupplungsrad 27 gezogen
(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.
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.
Der
High-Speed-Motor 16 ist dabei direkt mittels einer konischen
Spannbüchse 32 (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.
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 3 zu 4).
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 10000, insbesondere bis zu Drehzahlen
von zwischen 20000 und 40000 Umdrehungen pro Minute, erstreckt,
vom High-Speed-Motor 16 angetrieben wird.